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Dokumentenidentifikation DE602004001037T2 12.10.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001553269
Titel Vorrichtung und Verfahren zur Abgasreinigung
Anmelder Toyota Jidosha K.K., Toyota, Aichi, JP
Erfinder Mizuno, Tatsuji, Toyota-shi Aichi-ken, 471-8571, JP
Vertreter Kuhnen & Wacker Patent- und Rechtsanwaltsbüro, 85354 Freising
DE-Aktenzeichen 602004001037
Vertragsstaaten DE, ES, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 24.12.2004
EP-Aktenzeichen 040307803
EP-Offenlegungsdatum 13.07.2005
EP date of grant 31.05.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.10.2006
IPC-Hauptklasse F01N 3/08(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse F01N 3/027(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   F01N 3/023(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   B01D 53/94(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinigung eines Abgases, eine Vorrichtung, die bei einem Verbrennungsmotor verwendet wird, welcher Abgase ausstößt, die Feststoffe bzw. Feinstaub bzw. unverbrannte Partikel enthalten. Darüber hinaus betrifft sie ein Verfahren zur Reinigung eines Abgases, einen Prozeß, der die Vorrichtung verwendet.

Beschreibung des verwandten Standes der Technik

In Bezug auf Ottomotoren wurden schädliche Bestandteile in den Abgasen durch die strikten Vorschriften bezüglich des Abgases und den technologischen Entwicklungen, die dazu geeignet sind, den strikten Vorschriften zu genügen bzw. die strikten Vorschriften zu erfüllen, sicher verringert. Im Hinblick auf Dieselmotoren sind die Vorschriften und technologischen Entwicklungen jedoch verglichen mit denen der Ottomotoren auf Grund der einzigartigen Umstände, daß die schädlichen Bestandteile als Feststoffe bzw. Feinstaub bzw. unverbrannte Partikel abgegeben werden (d.h. Feststoffe wie beispielsweise feine Kohlenstoffpartikel, feine Schwefelpartikel wie Sulfate, und feine Kohlenwasserstoffpartikel mit hohem Molekulargewicht, nachfolgend insgesamt als „PMs" bezeichnet) weniger fortgeschritten.

Als bisher entwickelte Abgasreinigungsvorrichtungen für Dieselmotoren sind die folgenden bekannt. Beispielsweise können die Abgasreinigungsvorrichtungen grob in Fallen-(oder wand-Fluß (wall-flow)) Abgasreinigungsvorrichtungen und offene (oder gerader-Fluß (straight-flow)) Abgasreinigungsvorrichtungen unterteilt werden. Unter diesen sind verbundene wabenförmige Strukturen, die aus Keramik bestehen (d.h.

Diesel-PM-Filter, nachfolgend als „DPFs" bezeichnet), als eine Art der Fallen-Abgasreinigungsvorrichtungen bekannt. Bei den DPFs sind die wabenförmigen Strukturen beispielsweise an entgegengesetzten Enden von Zellen in einer schachbrettartigen Art alternierend verbunden. Die DPFs weisen Einlaßzellen auf, die an der stromabwärtigen Seite eines Abgasflusses verbunden sind, Auslaßzellen, die benachbart zu den Einlaßzellen sind und an der stromaufwärtigen Seite des Abgasflusses verbunden sind, und Zellwände, welche die Einlaßzellen und die Auslaßzellen voneinander trennen. Die DPFs unterdrücken den Ausstoß von PMs durch Filtern des Abgases mit den Poren der Zellwände zum Fangen der PMs.

Bei den DPFs nimmt jedoch der Druckverlust zu, da sich PMs darauf ablagern. Demgemäß ist es notwendig, die abgelagerten PMs regelmäßig durch bestimmte Mittel zu entfernen, um die DPFs wiederherzustellen. Daher wurden, wenn der Druckverlust zunimmt, abgelagerte PMs herkömmlich mittels Brennern oder elektrischen Heizern verbrannt, wodurch die DPFs wiederhergestellt wurden. Je größer die Ablagerung von PMs in diesem Fall jedoch ist, desto höher steigt die Temperatur bei der Verbrennung der abgelagerten PMs. Folglich können Fälle auftreten, daß die DPFs durch thermische Belastung, welche aus derartigem Verbrennen resultiert, beschädigt werden.

Daher wurden kürzlich kontinuierlich regenerative DPFs entwickelt. In einem der kontinuierlich regenerativen DPFs ist beispielsweise eine Deckschicht mit Aluminium auf der Oberfläche der Zellwände des DPF ausgebildet, und ein katalytischer Bestandteil wie beispielsweise Platin (Pt) ist auf die Deckschicht geladen. Gemäß den kontinuierlich regenerativen DPFs ist es, da gefangene PMs durch die katalytische Reaktion des katalytischen Bestandteils oxidiert und verbrannt werden, möglich, die DPFs durch das Verbrennen der PMs gleichzeitig oder sukzessive nach dem Fangen der PMs zu regenerieren. Darüber hinaus verursachen die kontinuierlich regenerativen DPFs einen Vorteil, daß die thermische Beanspruchung, die auf die DPFs wirkt, so gering ist, daß ein Beschädigen der DPFs verhindert wird, da die katalytische Reaktion bei relativ niedrigen Temperaturen geschieht, und da PMs verbrannt werden können, wenn wenige gefangen sind.

Die ungeprüfte japanische Patenschrift (KOKAI) Nr. 9-173,866 offenbart einen derartigen Filterkatalysator. Bei dem Filterkatalysator ist eine poröse Deckschicht, die aus aktivem Aluminium zusammengesetzt ist, deren Partikeldurchmesser größer sind als der durchschnittliche Porendurchmesser der Poren in den Zellwänden, auf der Oberfläche der Zellwände ausgebildet. Darüber hinaus ist aktives Aluminium, dessen Partikeldurchmesser geringer sind als der durchschnittliche Porendurchmesser der Poren in der Zellwand in den Poren geschichtet. Zusätzlich ist ein katalytischer Bestandteil auf der porösen Deckschicht sowie auf dem in den Poren geschichteten aktiven Aluminium aufgebracht bzw. geladen. Der Filterkatalysator kann den Druckverlust verringern während der spezifische Oberflächenbereich der porösen Deckschicht erhöht wird.

Darüber hinaus offenbart die ungeprüfte japanische Patentschrift (KOKAI) Nr.6-159,037 einen Filterkatalysator, der die vorstehend beschriebene poröse Deckschicht aufweist, auf welcher ferner ein NOx sorbierendes Material ausgebildet ist. Mit einer derartigen Anordnung kann NOx in dem NOx sorbierenden Material sorbiert werden. Folglich ist es möglich, wenn ein Reduktionsmittel wie beispielsweise Leichtöl dem Abgas beigemengt wird, das sorbierte NOx durch Reduktion zu reinigen.

Bei Filterkatalysatoren die Deckschichten aufweisen, auf denen katalytische Bestandteile und NOx sorbierende Materialien ausgebildet sind, ist jedoch der Gestaltungsbetrag bzw. der Gestaltungsumfang der Deckschichten hinsichtlich des Druckverlustes beschränkt. Demgemäß sollte, um katalytische Bestandteile auf eine höchst bzw. stark dispergierte Art aufzubringen, um das Kornwachstum der katalytischen Bestandteile bei hohen Temperaturen zu unterdrücken, der Anreicherungsbetrag bzw. die Aufbringungsmenge der katalytischen Bestanteile verringert werden. Folglich entsteht das Problem, daß den resultierenden Filterkatalysatoren Leistung hinsichtlich der Reinigung der PMs und des NOx fehlt. Darüber hinaus entsteht ein anderes Problem, daß, wenn Niedrigtemperaturabgase in die resultierenden Filterkatalysatoren strömen, so viel PMs an den Zellwänden abgelagert werden, daß die Flußpassagen verstopft wurden, um den Druck zu erhöhen, da die resultierenden Filterkatalysatoren eine niedrige PM-Oxidationsaktivität aufweisen.

Daher schlagen die ungeprüfte japanische Patentschrift (KOKAI) Nr. 2001-212,506, die ungeprüfte japanische Patentschrift (KOKAI) Nr. 9-53,442 und die ungeprüfte japanische Patentschrift (KOKAI) NR 11-5,285 Abgasreinigungsvorrichtungen vor, welche gerade-Fluß-strukturiert (straight-flow-structured) Oxidationskatalysatoren oder NOx sorbierende-und-reduzierende Katalysatoren und Filterkatalysatoren aufweisen, die in Serie angeordnet sind. Wenn dadurch gerader-Fluß-strukturierte Katalysatoren kombiniert verwendet werden, ist es möglich, die Reinigungsleistung der resultierenden Abgasreinigungsvorrichtungen ohne einer Zunahme des Druckverlustes zu steigern. Darüber hinaus erhöhen, wenn ein derartiger gerader-Fluß-strukturierten Katalysator hinsichtlich des Filterkatalysators an einer stromaufwärtigen Seite eines Abgasflusses angeordnet ist, die vom stromaufwärtsseitigen gerader-Fluß-strukturierten Katalysator resultierenden Reinigungsreaktionen die Temperatur des Abgases. Demgemäß steigt die PMs Reinigungsleistung des Filterkatalysators. Zusätzlich ist es möglich, den Anstieg des Druckverlustes zu verhindern, der aus der Verstopfung resultiert.

Im Übrigen wurde ein System in aktuellen Anwendungen ausgeführt, um eine NOx-Verringerungsaktivität zu verbessern. Bei einem derartigen System wird ein flüssiges Reduktionsmittel wie beispielsweise Leichtöl intermittierend den Abgasen beigemengt, wodurch die NOx Verringerungsaktivität verbessert wird. Darüber hinaus ist es bei einem derartigen System möglich, abgelagerte PMs effizient durch Oxidation zu entfernen, da ferner die aus der Oxidation des flüssigen Reduktionsmittels resultierende Reaktionshitze den Abgasen hinzugefügt wird. Daher wurde es auch ausgeführt, ein flüssiges Reduktionsmittel den Abgasen beizumengen, wenn PMs in einem gewissen Ausmaß abgelagert sind, um dadurch Filterkatalysatoren durch das Entfernen der auf den Filterkatalysatoren abgelagerten PMs durch Oxidation erzwungen zu regenerieren.

Darüber hinaus offenbart die ungeprüfte japanische Patentschrift (KOKAI) Nr. 6-173,659, einen mit einem Heizgerät vorgesehenen NOx-Absorber in einem Abgassystem von Verbrennungsmotoren anzuordnen. Wenn die Sauerstoffkonzentration des Abgases gering ist, heizt das Heizgerät den NOx Absorber. Demgemäß ist es möglich, SOx und NOx vom NOx-Absorber zu lösen. Folglich ist es möglich, die NOx Absorbtionsfähigkeit des NOx-Absorbers wiederherzustellen.

Zusätzlich offenbart die ungeprüfte japanische Patentschrift (KOKAI) Nr: 2002-168,117 ein Abgasreinigungssystem, das NOx sorbierende-und-reduzierende Katalysatoren und ein Heizgerät umfaßt. Die NOx sorbierende-und-reduzierende Katalysatoren sind jeweils an einer stromaufwärtigen Seite und einer stromabwärtigen Seite eines Abgasflusses angeordnet. Das Heizgerät heizt den NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator an der stromaufwärtigen Seite. Das Abgasreinigungssystem betätigt das Heizgerät, um die Temperatur des an der stromaufwärtigen Seite gelegenen NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysators zu erhöhen, wenn die Temperatur der in den an der stromaufwärtigen Seite gelegenen NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator strömenden Abgase niedriger als ein vorherbestimmter Wert ist, oder wenn die Flußrate der in den an der stromaufwärtigen Seite gelegenen NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator strömenden Abgase ein vorherbestimmter Wert oder weniger ist. Demgemäß können die Reaktionen am an der stromaufwärtigen Seite gelegenen NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator das H2/CO Konzentrationsverhältnis der in den an der stromabwärtigen Seite gelegenen NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator strömenden Abgase erhöhen. Folglich steigt die gesamt NOx Reinigungseffizienz. Darüber hinaus offenbart die Druckschrift, ein flüssiges Reduktionsmittel zu liefern statt ein Heizgerät anzuordnen, um den an der stromaufwärtigen Seite gelegenen NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator unter Verwendung der Oxidationshitze des flüssigen Reduktionsmittels zu heizen.

Das Abgasreinigungssystem leidet jedoch an den folgenden Problemen. Obwohl das flüssige Reduktionsmittel sehr nützlich bei der Reinigung von NOx in hohen Temperaturbereichen ist, fließt das flüssige Reduktionsmittel bei niedrigen Temperaturbereichen in den an der stromaufwärtigen Seite gelegenen NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator. Demgemäß haftet das flüssige Reduktionsmittel an der Einlaßendfläche des an der stromaufwärtigen Seite gelegenen NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysators, und dann lagern sich PMs auf dem anhaftenden flüssigen Reduktionsmittel ab, um die Zellpassagen des an der stromaufwärtigen Seite gelegenen NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysators zu verstopfen. Folglich hat sich der Abgasdruckverlust erhöht. Darüber hinaus ist es notwendig, wenn die NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysatoren erzwungen regeneriert werden, das flüssige Reduktionsmittel vergleichsweise im Überfluß zu liefern. Daraus resultierend entsteht ein Nachteil, daß sich die Laufzeit bzw. Laufleistung der Fahrzeuge verschlechtert.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehend genannten Umstände entwickelt. Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zu verhindern, daß der Druckverlust zunimmt, sowie zu verhindern, daß die NOx Reinigungsleistung abnimmt. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung zu verhindern, daß sich die Laufleistung von Fahrzeugen verschlechtert.

Eine Vorrichtung zur Reinigung eines Abgases das Feststoffe enthält und in einem Abgassystem fließt gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, kann die vorstehenden Probleme lösen, und ist dadurch gekennzeichnet, daß sie aufweist:

einen ersten Katalysator;

einen zweiten Katalysator, der ein NOx sorbierender und reduzierender Katalysator ist, und der an einer stromabwärtigen Seite des ersten Katalysators angeordnet ist;

eine Heizeinrichtung zum Heizen des ersten Katalysators;

einen Injektor, der ein flüssiges Reduktionsmittel in das Abgas einspritzt, und der an einer stromaufwärtigen Seite des ersten Katalysators angeordnet ist;

eine Differenzdruck-Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Druckdifferenz zwischen Einlaß- und Auslaßseiten des ersten Katalysators und/oder einer Druckdifferenz zwischen Einlaß- und Auslaßseiten des zweiten Katalysators; und

eine Steuereinrichtung, um zumindest die Heizeinrichtung zu steuern.

Bei einer Vorrichtung gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der zweite Katalysator vorzugsweise ein Filterkatalysator sein, mit:

einem wand-Fluß-strukturierten (wall-flow-structured) wabenförmigen Substrat mit

einer Einlaßzelle, die an einer stromabwärtigen Seite davon befestigt ist,

einer Auslaßzelle die benachbart zur Einlaßzelle angeordnet ist, und mit einer stromaufwärtigen Seite davon verbunden ist, und

einer Zellwand, welche die Einlaßzelle und die Auslaßzelle voneinander abgrenzt und eine darin befindliche Pore aufweist; und

einer auf einem Substrat der Zellwand und einer Innenfläche der Pore ausgebildeten katalytischen Schicht mit

einem Oxidträger,

einem katalytischen Bestandteil, der auf den Oxidträger geladen ist, und

einem NOx sorbierenden Material, das auf den Oxidträger geladen ist.

Bei einer Vorrichtung gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Differenzdruck-Erfassungseinrichtung vorzugsweise aufweisen:

ein erstes Druckerfassungselement zum Erfassen eines Druckes an einer stromaufwärtigen Seite des ersten Katalysators;

ein zweites Druckerfassungselement zum Erfassen eines Drucks zwischen dem ersten Katalysator und dem zweiten Katalysator; und

ein drittes Druckerfassungselement zum Erfassen eines Drucks an einer stromabwärtigen Seite des zweiten Katalysators.

Ein erstes Verfahren zur Reinigung eines Abgases gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß es aufweist:

einen Prozeß zur Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der ersten bis dritten Aspekte der vorliegenden Erfindung,

wobei der Prozeß aufweist

einen Schritt zum Steuern der Heizeinrichtung, um für den Fall, daß eine Druckdifferenz zwischen den Einlaß- und Auslaßseiten des ersten Katalysators, welche durch die Differenzdruck-Erfassungseinrichtung erfaßt wird, einen vorherbestimmten Wert überschreitet, zu handeln, und/oder

einen Schritt zum Steuern der Heizeinrichtung, um für den Fall, daß eine Druckdifferenz zwischen den Einlaß- und Auslaßseiten des zweiten Katalysators, welche durch die Differenzdruck-Erfassungseinrichtung erfaßt wird, einen vorherbestimmten Wert überschreitet, zu handeln.

Darüber hinaus kann ein zweites Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ferner aufweisen

einen Schritt zur Betätigung des Injektors, um für den Fall, daß eine Druckdifferenz zwischen den Einlaß- und Auslaßseiten des zweiten Katalysators, welche durch die Differenzdruck-Erfassungseinrichtung erfaßt wird, einen vorherbestimmten Wert überschreitet, zu handeln.

Beispielsweise betätigt die Steuereinrichtung bei der vorliegenden Vorrichtung sowie dem Verfahren zur Reinigung eines Abgases die Heizeinrichtung, um den ersten Katalysator zu heizen, wenn ein Druckunterschied zwischen einem Einlaßdruck des Abgases in den zweiten Katalysator und einem Auslaßdruck des Abgases vom zweiten Katalysator entsteht, d.h. wenn festgestellt wird, daß PMs den zweiten Katalysator verstopfen. Demgemäß erleichtert der erste Katalysator die Reaktion zur Oxidation des NO in den Abgasen zu NO2. Dann fließen höchst bzw. stark oxidativ reaktive Gase mit dem resultierenden NO2 in den zweiten Katalysator. Folglich werden am zweiten Katalysator abgelagerte PMs durch Oxidation entfernt. Daher ist es nicht nur möglich, die gesamte NOx Reinigungsleistung zu steigern, sondern es ist auch möglich zu vermeiden, daß der Abgasdruckverlust ansteigt. Daher ist es möglich, die Laufleistung der Fahrzeuge zu erhöhen, da die vorliegende Vorrichtung und das Verfahren die Zeitdauer zwischen den Behandlungen zur erzwungenen Regeneration des zweiten Katalysators ausdehnt.

Darüber hinaus ist es durch das Erfassen eines Differenzdruckes zwischen einem Einlaßdruck des Abgases in den ersten Katalysator und einem Auslaßdruck des Abgases vom ersten Katalysator möglich anzunehmen bzw. abzuschätzen, wie verstopft der erste Katalysator an Einlaßende ist. Wenn festgestellt wird, daß der erste Katalysator am Einlaßende verstopft ist, betätigt die Steuereinrichtung die Heizeinrichtung, um den ersten Katalysator zu heizen. Daraus resultierend ist es möglich, die an der Einlaßendfläche des ersten Katalysators haftenden flüssigen Reduktionsmittel und PMs durch Verbrennung zu entfernen.

Zusätzlich ist es möglich, die Einlaßtemperatur des Abgases in den zweiten Katalysator durch Betätigung des Injektors und der Heizeinrichtung zu erhöhen, wenn der zweite Katalysator erzwungen regeneriert wird. Demgemäß wird die Oxidation der PMs erleichtert, so daß der zweite Katalysator die PM-Fallenfähigkeit wiedererlangt. Darüberhinaus oxidiert der erste Katalysator das flüssige Reduktionsmittel teilweise, um das flüssige Reduktionsmittel zu verändern. Folglich wird das flüssige Reduktionsmittel in hochaktives HC umgewandelt, und das resultierende hochaktive HC fließt in den zweiten Katalysator. Daraus resultierend wird die Reduktion des mit Schwefel vergifteten NOx sorbierenden Materials erleichtert, so daß der zweite Katalysator die NOx sorbtionsfähigkeit wiedererlangt. Daher wird die erzwungene Regeneration des zweiten Katalysators erleichtert, so daß die Zeitdauer während welcher die PMs sich bis hin zu einem Grenzwert ablagern ausgedehnt wird. Insgesamt steigt die Laufleistung der Fahrzeuge, da es möglich ist, die Zugabe von flüssigen Reduktionsmitteln zu verringern.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Eine vollständigere Würdigung der vorliegenden Erfindung und viele ihrer Vorteile wird leicht erhalten, wie das Ganze unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung zudem besser verständlich wird, wenn diese in Zusammenhang mit den beigefügten Figuren und der detaillierten Beschreibung bzw. Präzisierung betrachtet wird, von denen alle Teil der Offenbarung sind.

1 zeigt ein erläuterndes Schaubild zur Darstellung einer Anordnung einer Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Beispiel Nr. 1 der vorliegenden Erfindung;

2 zeigt ein Flußdiagramm zur Darstellung wie die Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Beispiel Nr. 1 der vorliegenden Erfindung unter ersten Umständen gesteuert wird;

3 zeigt ein Flußdiagramm zur Darstellung wie die Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Beispiel Nr. 1 der vorliegenden Erfindung unter zweiten Umständen gesteuert wird;

4 zeigt ein Flußdiagramm zur Darstellung wie eine Abgasreinigungsvorrichtung gemäß einem Vergleichsbeispiel Nr. 1 der vorliegenden Erfindung unter zweiten Umständen gesteuert wird;

5 zeigt ein Liniendiagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen Zeiten und Differenzdrücken zwischen dem Einlaß und dem Auslaß eines stromabwärtsseitigen NOx-sorbierenden-und-reduzierenden Katalysators (d.h. eines zweiten Katalysators) bei der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Beispiel Nr. 1 der vorliegenden Erfindung, und das Gleiche bei der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß dem Vergleichsbeispiel Nr. 1;

6 zeigt ein Säulendiagramm zur Darstellung des Blockierungsverhältnisses der stromaufwärtsseitigen Endfläche, wie sie ein stromaufwärtsseitiger NOx sorbierender-und-reduzierender Katalysator (d.h. ein erster Katalysator) bei der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Beispiel Nr. 1 der vorliegenden Erfindung zeigt, und das Gleiche bei einer Abgasreinigungsvorrichtung gemäß einem Vergleichsbeispiel Nr. 2;

7 zeigt ein Liniendiagramm zur Darstellung der Veränderung der Einlaßtemperaturen der Abgase in einem stromabwärtsseitigen NOx-sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator (d.h. einem zweiten Katalysator) bei der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Beispiel Nr. 1 der vorliegenden Erfindung, und das Gleiche bei einer Abgasreinigungsvorrichtung gemäß einem Vergleichsbeispiel Nr. 2;

8 zeigt ein Liniendiagramm zur Darstellung der Verteilungskurven der Anzahl der in dem HC enthaltenen Kohlenstoffatome, Verteilungskurven, welche von Einlaßabgasen in den stromabwärtsseitigen NOx-sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator (d.h. den zweiten Katalysator) bei der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Beispiel Nr. 1 der vorliegenden Erfindung sowie der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß dem Vergleichsbeispiel 2 gezeigt werden.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Nachdem die Erfindung allgemein beschrieben wurde, kann ein weiteres Verständnis durch Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen erlangt werden, welche hierin nur zu Darstellungszwecken vorgesehen sind, und nicht dazu gedacht sind, den Umfang der angefügten Ansprüche zu beschränken.

Die vorliegende Abgasreinigungsvorrichtung wird in dem Abgasreinigunssystem von Verbrennungsmotoren verwendet, die Abgase ausstoßen, die PMs enthalten. Dieselmotoren sind typische Beispiele für derartige Verbrennungsmotoren. Jedoch emittieren auch einige Magermotoren PM enthaltende Abgase. Die vorliegende Abgasreinigungsvorrichtung kann auch in solchen Magermotoren verwendet werden.

Für den ersten Katalysator werden üblicherweise gerader-Fluß-strukturierte (stralght-flow-structured) Katalysatoren verwendet. Beispielsweise ist es möglich, Katalysatoren zu verwenden, welche Oxidationsaktivitäten aufweisen, wie beispielsweise Oxidationskatalysatoren, Drei-Wege-Katalysatoren und NOx sorbierende-und-reduzierende Katalysatoren. Der erste Katalysator kann insbesondere vorzugsweise NOx-sorbierende-und-reduzierende Katalysatoren aufweisen. Der erste Katalysator kann zumindest in den Abgasen enthaltenes HC und CO oxidieren. Darüber hinaus kann, wenn Drei-Wege-Katalysatoren und NOx-sorbierende-und-reduzierende Katalysatoren verwendet werden, selbst NOx reduziert werden. Es sei angemerkt, daß in den Abgasen enthaltenes NO oxidiert wird, um zu NOx, beispielsweise NO2, zu werden, und die resultierenden reaktiven Gase zeigen extrem hohe Oxidationsaktivitäten. Daher steigt, wenn die höchst reaktiven Gase in den zweiten Katalysator strömen die PMs-Oxidationsaktivität des zweiten Katalysators beachtlich an.

Der erste Katalysator kann mit einer Heizeinrichtung zum Aufheizen des ersten Katalysators vorgesehen sein. Die Heizeinrichtung kann jene sein, deren Betrieb die Steuereinrichtung steuern kann. Es ist vorzuziehen elektrische Heizer als Heizeinrichtungen zu verwenden. Insbesondere kann die Heizeinrichtung im ersten Katalysator verdeckt sein, oder sie kann in Gehäusen zur Aufnahme des ersten Katalysators angeordnet sein. Darüber hinaus kann die Heizeinrichtung den ersten Katalysator indirekt durch Aufheizen der Einlaßgase in den ersten Katalysator aufheizen. Wenn dies der Fall ist, ist es möglich, ferner eine zweite Heizeinrichtung oder einen Oxidationskatalysator an einer im Hinblick auf den ersten Katalysator weiter stromaufwärts gelegenen Seite des Abgasflusses anzuordnen.

Der zweite Katalysator ist ein NOx-sorbierender-und-reduzierender Katalysator. Der zweite Katalysator können gerader-Fluß-Katalysatoren sein. Der zweite Katalysator können jedoch vorzugsweise Filterkatalysatoren sein, die wand-Fluß-strukturiert ausgebildet sind. Insbesondere kann ein derartiger Filterkatalysator aufweisen:

eine wand-Fluß-strukturiertes wabenförmiges Substrat mit

einer Einlaßzelle, die an einer stromabwärtigen Seite davon befestigt ist,

einer Auslaßzelle, die benachbart zur Einlaßzelle angeordnet ist und mit einer stromaufwärtigen Seite davon verbunden ist, und

einer Zellwand, welche die Einlaßzelle und die Auslaßzelle voneinander abgrenzt und eine darin befindliche Pore aufweist; und

einer auf einem Substrat der Zellwand und einer Innenfläche der Pore ausgebildeten katalytischen Schicht mit

einem Oxidträger,

einem katalytischen Bestandteil, der auf den Oxidträger geladen ist, und

einem NOx sorbierenden Material, das auf den Oxidträger geladen ist.

Der im Hinblick auf den ersten Katalysator an einer stromaufwärtigen Seite des Abgasflusses angeordnete Injektor liefert ein flüssiges Reduktionsmittel in die Abgase. Es ist möglich, für den Injektor solche zu verwenden, die herkömmlich verwendet werden.

Die Differenzdruck-Erfassungseinrichtung dient zum Erfassen einer Druckdifferenz zwischen Einlaß- und Auslaßseiten des ersten Katalysators, und/oder einer Druckdifferenz zwischen Einlaß- und Auslaßseiten des zweiten Katalysators. Beispielsweise erfaßt die Differenzdruck-Erfassungseinrichtung zumindest einen Differenzdruck zwischen einem Einlaßdruck der Abgase am zweiten Katalysator und einem Auslaßdruck der Abgase aus dem zweiten Katalysator. Es ist möglich, Drucksensoren als Differenzdruck-Erfassungseinrichtung zu verwenden. Darüber hinaus kann die Differenzdruck-Erfassungseinrichtung ferner einen Differenzdruck zwischen einem Einlaßdruck der Abgase am ersten Katalysator und einem Auslaßdruck der Abgase aus dem ersten Katalysator erfassen. Es sei angemerkt, daß der Auslaßdruck der Abgase vom ersten Katalysator gleich dem Einlaßdruck der Abgase am zweiten Katalysator ist. Daher ist es ausreichend, höchstens drei Differenzdruck-Erfassungseinrichtungen anzuordnen, beispielsweise eine erste Differenzdruck-Erfassungseinrichtung an einer stromaufwärtigen Seite des Abgasflusses hinsichtlich des ersten Katalysators, eine zweite Differenzdruck-Erfassungseinrichtung zwischen dem ersten Katalysator und dem zweiten Katalysator, und eine dritte Differenzdruck-Erfassungseinrichtung an einer stromabwärtigen Seite des Abgasflusses hinsichtlich des zweiten Katalysators.

Die Steuereinrichtung steuert die Heizeinrichtung in Übereinstimmung mit von den Differenzdruck-Erfassungseinrichtungen ausgegebenen Erfassungssignalen, und betätigt die Heizeinrichtungen, wenn der Differenzdruck einen vorherbestimmten Wert übersteigt. Die Steuereinrichtung kann eine sein, welche die Funktion von Motorsteuereinheiten (nachfolgend als „ECU" abgekürzt) verwendet, oder sie kann aus digitalen Schaltungen wie beispielsweise Computer bestehen, die unabhängig von der ECU angeordnet sind. Es ist ausreichend, daß die Steuereinrichtung die Heizeinrichtung in Übereinstimmung mit den von den Differenzdruck-Erfassungseinrichtungen ausgegebenen Erfassungssignalen steuert. Die Steuereinrichtung kann jedoch ferner den Betrieb des Injektors steuern.

Beispielsweise betätigt bei dem vorliegenden ersten Abgasreinigungsverfahren die Steuereinrichtung die Heizeinrichtung, um den ersten Katalysator aufzuheizen, wenn eine Druckdifferenz zwischen einem Einlaßdruck der Abgase in den zweiten Katalysator und einem Auslaßdruck der Abgase aus dem zweiten Katalysator entsteht. Demgemäß wird der erste Katalysator geheizt. Folglich nimmt nicht nur die Einlaßtemperatur der Abgase am zweiten Katalysator zu, sondern der erste Katalysator oxidiert auch NO, um NOx wie beispielsweise NO2 zu erzeugen. Die Abgase, welche das resultierende NOx enthalten sind reaktive Gase, die hohe Oxidationsaktivitäten zeigen. Daraus resultierend ist es möglich, auf dem zweiten Katalysator abgelagerte PMs durch Oxidation zu entfernen sowie den zweiten Katalysator bis zu einem gewissen Grad zu regenerieren. Daher kann das vorliegende erste Abgasreinigungsverfahren die Zeitdauer der sich ablagernden PMs bis zu einem Grenzwert ausdehnen, so daß die Zeitdauer zwischen den Behandlungen zur erzwungenen Regeneration des zweiten Katalysators ausgedehnt werden kann. Daher ist es möglich, die Zugabe des zur erzwungenen Regeneration bzw. Zwangsregeneration des zweiten Katalysators verwendeten flüssigen Reduktionsmittels zu verringern. Insgesamt ist es möglich, die Laufleistung von Fahrzeugen zu steigern.

Wenn der erste Katalysator beispielsweise in kraftstoffarmen bzw. -mageren Umgebungen aufgeheizt wird, wird das NO in den Abgasen zu NO2 oxidiert, wie in der nachfolgenden Gleichung (1) dargelegt wird. Darüber hinaus löst, wenn der erste Katalysator einen NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator aufweist, der aufgeheizte erste Katalysator im NOx sorbierenden Material sorbiertes NOx.

Das resultierende NO2 und das gelöste NOx werden beispielsweise im NOx sorbierenden Material des zweiten Katalysators sorbiert, wie in der nachfolgenden Gleichung (2) dargelegt wird

Die wie in den Gleichungen (1) und (2) dargestellt erzeugten O* Atome (d.h. aktiver Sauerstoff) können PMs bei niedrigen Temperaturen oxidieren, da sie höchst reaktiv sind. Daher können die O* Atome auf dem zweiten Katalysator abgelagerte PMs durch Oxiadtion selbst in niedrigen Temperaturbereichen reinigen.

Auf der anderen Seite treten in kraftstoffreichen Umgebungen, welchen ein flüssiges Reduktionsmittel wie beispielsweise Leichtöl zugegeben wird, die folgenden Reaktionen, wie in der nachfolgenden Gleichung (3) dargelegt wird, auf. Darüber hinaus treten die in der nachfolgenden Gleichung (3) dargestellten Reaktionen ebenso beim ersten Katalysator auf, wenn der erste Katalysator einen NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator aufweist.

Die wie in Gleichung (3) dargestellt erzeugten O* Atome können PMs auch bei niedrigtemperatur und kraftstoffreichen Umgebungen oxidieren, da sie ebenfalls höchst reaktiv sind.

Wenn die vorstehend beschriebene Steuerung ausgeführt wird, kann die Heizeinrichtung bevorzugt so betätigt werden, daß die Temperatur des durch den zweiten Katalysator fließenden Abgases in einen Bereich von 250 bis 700°C, besonders bevorzugt von 300 bis 700°C und ganz besonders bevorzugt von 350 bis 650 °C fällt. Wenn die Temperatur der durch den zweiten Katalysator strömenden Abgase niedriger als 250°C ist, ist es weniger wahrscheinlich, daß die vorstehen angeführten Operationen erfolgen. Wenn die Temperatur der durch den zweiten Katalysator strömenden Abgase höher als 700°C ist, sättigen die vorstehend beschriebenen Vorteile, um in einem Energieverlust zu resultieren.

Darüber hinaus ist es bei dem vorliegenden ersten Abgasreinigungsverfahren vorzuziehen, die Heizeinrichtung zusätzlich zur vorstehend beschriebenen Steuerung weiter zu betätigen, wenn der Differenzdruck zwischen einem Einlaßdruck der Abgase am ersten Katalysator und einem Auslaßdruck der Abgase aus dem ersten Katalysator größer ist als ein vorherbestimmter Wert. Wenn das der Fall ist, ist es möglich, das flüssige Reduktionsmittel durch das Aufheizen des ersten Katalysators zu verdampfen, selbst wenn das flüssige Reduktionsmittel an der Einlaßendfläche des ersten Katalysators haftet und ferner PMs auf dem haftenden flüssigen Reduktionsmittel anhaften. Daher ist es möglich, die aus der verstopften Einlaßendfläche des ersten Katalysator resultierenden Probleme zu lösen.

In diesem Beispiel kann die Heizeinrichtung vorzugsweise derart betätigt werden, daß die Temperatur der durch den ersten Katalysator strömenden Abgase in einen Bereich von 250 bis 350°C, besonders bevorzugt von 275 bis 325°C und ganz besonders bevorzugt von 300 bis 310°C fällt. Wenn die Temperatur der durch den ersten Katalysator strömenden Abgase niedriger als 250°C ist, ist es weniger wahrscheinlich, daß die vorstehen angeführten Operationen erfolgen. Wenn die Temperatur der durch den ersten Katalysator strömenden Abgase höher als 350°C ist, sättigen die vorstehend beschriebenen Vorteile, um in einem Energieverlust zu resultieren.

Zusätzlich ist es bei dem vorliegenden zweiten Abgasreinigungsverfahren vorzuziehen, den Injektor und die Heizeinrichtung zu betätigen, wenn der Differenzdruck zwischen einem Einlaßdruck der Abgase am zweiten Katalysator und einem Auslaßdruck der Abgase aus dem zweiten Katalysator größer ist als ein vorbestimmter Wert. Demgemäß können auf dem zweiten Katalysator abgelagerte PMs durch Oxidation leichter entfernt werden. Folglich erlangt der zweite Katalysator die PM-Fallenfähigkeit zurück. Es sei angemerkt, daß der erste Katalysator das flüssige Reduktionsmittel teilweise oxidiert, und der resultierende modifizierte höchst aktive HC strömt in den zweiten Katalysator. Daher kann der zweite Katalysator den abgelagerten Schwefel als SO2 durch Reduktionsreaktionen lösen und dadurch die NOx Sorbtionsfähigkeit des NOx sorbierenden Materilas regenerieren, selbst wenn das NOx sorbierende Material des zweiten Katalysators mit Schwefel vergiftet ist.

Wenn das der Fall ist, kann die Heizeinrichtung vorzugsweise derart betätigt werden, daß die Temperatur der durch den zweiten Katalysator strömenden Abgase in einen Bereich von 600 bis 700°C, besonders bevorzugt von 630 bis 680°C und ganz besonders bevorzugt von 650 bis 670°C fällt. Wenn die Temperatur der durch den zweiten Katalysator strömenden Abgase niedriger als 600°C ist, ist es wahrscheinlich, daß PMs im zweiten Katalysator verbleiben. Wenn die Temperatur der durch den zweiten Katalysator strömenden Abgase höher als 700°C ist, sättigen nicht nur die vorstehend beschriebenen Vorteile, um in einem Energieverlust zu resultieren, sondern Temperatwschocks können auch den zweiten Katalysator beschädigen.

BEISPIELE

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf Beispiele und Vergleichsbeispiele beschrieben.

(Beispiel Nr. 1)

1 zeigt eine Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Beispiel Nr. 1 der vorliegenden Erfindung. Ein Abgassystem eines Direkteinspritz-Dieselmotors 1 ist ab einem Abgaskrümmer 10 in zwei Flußpassagen verzweigt. Ein Turbolader 2 ist in einer der Flußpassagen angeordnet, und ein Abgasrückführungs-(nachfolgend mit „EGR" abgekürzt)-kühler 3 ist in der anderen der Flußpassage angeordnet. Die vom Turbolader 2 ausgestoßenen Abgase strömen durch einen katalytischen Wandler und werden nach außen entladen. Auf der anderen Seite werden die durch den EGR-Kühler 3 strömenden Gase in einen Einlaßkrümmer 11 zurückgeführt, während die Flußrate durch ein EGR-Ventil 30 gesteuert wird. Ein Injektor 12 ist im Hinblick auf den Turbolader 2 an einer stromaufwärtigen Seite des Flusses der Abgase installiert, so daß er den Abgasen Leichtöl beimengen kann. Ein gerader-Fluß-strukturierter NOx sorbierender-und-reduzierender Katalysator 4 ist hinsichtlich des Turboladers 2 an einer stromabwärtigen Seite des Flusses der Abgase angeordnet. Darüber hinaus ist ein wand-Fluß-strukturierter NOx sorbierender-und-reduzierender Katalysator 5 hinsichtlich des gerader-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysators 4 an einer stromabwärtigen Seite des Flusses der Abgase angeordnet. Es sei angemerkt, daß der gerader-Fluß-strukturierter NOx sorbierende-und-reduzierende Katalysator 4 mit einem elektrischen Heizer 40 vorgesehen ist.

Ein erster Drucksensor 41 ist hinsichtlich des gerader-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysators 4 an einer stromaufwärtigen Seite des Flusses der Abgase angeordnet, um einen Druck der Einlaßabgase am gerader-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator 4 zu erfassen. Darüber hinaus ist ein zweiter Drucksensor 50 hinsichtlich des wand-Fluß-strukturierten NOxsorbierenden-undreduzierenden Katalysators 5 an einer stromaufwärtigen Seite des Flusses der Abgase angeordnet. Zusätzlich ist ein dritter Drucksensor 51 hinsichtlich des wand-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysators 5 an einer stromabwärtigen Seite des Flusses der Abgase angeordnet. Der zweite Drucksensor 50 erfaßt einen Druck der Einlaßabgase am wand-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator 5. Der dritte Drucksensor 51 erfaßt einen Druck der Auslaßabgase vom wand-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator 5. Die von den Drucksensoren 41, 50, 51 erfaßten Erfassungssignale werden in ein Steuergerät 6 eingegeben. Daher steuert das Steuergerät 6 das Einschalten und Ausschalten des elektrischen Heizers 40 gemäß den von den Drucksensoren 41, 50 und 51 ausgegebenen Erfassungssignalen. Darüber hinaus steuert das Steuergerät 6 auch den Injektor 12.

Der gerader-Fluß-strukturierte NOx sorbierende-und-reduzierende Katalysator 4 weist ein gerader-Fluß-strukturiertes wabenförmiges Substrat aus Cordierit, eine Al2O3 Deckschicht sowie Pt, Rh, Ba, K und Li auf. Das wabenförmige Substrat hat ein Volumen von 1 L und weist Zellen in einer Menge von 600 Zellen/inch2, Zellwände und Zellpassagen auf. Die Al2O3 Deckschicht ist auf einer Fläche der Zellpassagen des wabenförmigen Substrats ausgebildet. Das Pt, Rh, Ba, K und Li sind auf die Al2O3 Deckschicht geladen. Es sei angemerkt, daß die Deckschicht hinsichtlich des 1 L des wabenförmigen Substrats in einer Menge von 250 g ausgebildet ist. Darüber hinaus sind das Pt, Rh, Ba, K und Li hinsichtlich des 1 L des wabenförmigen Substrats jeweils in einer Menge von 5 g, 0,5 g, 0,1 mol, 0,1 mol und 0,2 mol geladen.

Darüber hinaus weist der wand-Fluß-strukturierte NOx sorbierende-und-reduzierende Katalysator 5 ein wand-Fluß-strukturiertes wabenförmiges Substrat aus Cordierit, eine Al2O3 Deckschicht sowie Pt, Rh, Ba, K und Li auf. Das wabenförmige Substrat hat ein Volumen von 2 L und weist Einlaßzellen, Auslaßzellen und poröse Zellwände auf. Die Einlaßzellen sind an einer stromabwärtigen Seite des Flusses der Abgase angeschlossen. Die Auslaßzellen sind zu den Einlaßzellen benachbart und an einer stromaufwärtigen Seite des Flusses der Abgase angeschlossen. Die porösen Zelwände trennen die Einlaßzellen und die Auslaßzellen und haben eine große Anzahl von Poren, deren durchschnittlicher Porendurchmesser 20 &mgr;m ist. Die Al2O3 Deckschicht ist auf einer Fläche der Zellwände des wabenförmigen Substrat so wie an einer Fläche der Poren der Zellwände ausgebildet. Das Pt, Ba, K und Li sind auf die Al2O3 Deckschicht geladen. Es sei angemerkt, daß die Al2O3 Deckschicht in einer Menge von 150 g hinsichtlich des 1 L des wabenförmigen Substrats ausgebildet ist. Darüber hinaus sind das Pt, Rh, Ba, K und Li hinsichtlich des 1 L des wabenförmigen Substrats jeweils in einer Menge von 5 g, 0.5 g, 0.1 mol, 0.1 mol und 0.2 mol geladen.

Ein Motorprüfstand wurde vorbereitet, der mit einem Direkteinspritz-Dieselmotor ausgestattet war, dessen Hubraum 2 L war. Die Abgasreinigunsvorrichtung gemäß Beispiel Nr. 1 wurde in dem Abgassystem des Dieselmotors angeordnet. Dann wurde der Dieselmotor nach einem Muster betrieben, das den japanischen „11 Runden" Modus für 50 Stunden simulierte (d.h. die durchschnittliche Fahrzeuggeschwindigkeit war 46 km/h und die Reisedistanz betrug etwa 2.000 km). Es sei angemerkt, daß der Dieselmotor abwechselnd für 8 Sekunden in kraftstoffmageren Umgebungen betrieben wurde, während Luft-Kraftstoff-Mischungen, deren A/F in einem Bereich von 18 bis 30 fluktuierte, geliefert wurden, und für 2 Sekunden in kraftstoffreichen Umgebungen, während ein reiches Erhöhen (rich spiking) ausgeführt wurde, bei dem Leichtöl mit einer Flußrate von 0.1 c.c./sec. in die Abgase eingespritzt wurde. Während der Überprüfung wurden die durchschnittliche Laufleistung des Dieselmotors und die PM-Ablagerung am gerader-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator 4 und am wand-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator 5 gemessen. Die untenstehende Tabelle 1 stellt die Ergebnisse dar.

Wie das Steuergerät 6 den elektrischen Heizer 40 während der vorstehend beschriebenen Überprüfung gesteuert hat, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die in den 2 und 3 dargestellten Flußdiagramme erklärt. Es sei angemerkt, daß das Steuergerät 6 den elektrischen Heizer 40 parallel zum Antreiben des Dieselmotors unter den vorstehend erwähnten mager-reich Bedingungen gesteuert hat.

Zuerst wurden in Schritt 100 vom ersten und zweiten Drucksensor 41, 50 ausgegebene Erfassungssignale in das Steuergerät 6 eingegeben, um einen Druck P0 des Einlaßabgases am gerader-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator 4 und einen Druck P1 des Auslaßabgases aus dem gerader-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator 4 festzustellen. In Schritt 101 hat das Steuergerät 6 die augenblicklichen Fahrsituationen des Dieselmotors herausgefunden bzw. ermittelt. In Schritt 102 hat das Steuergerät 6 einen Solldifferenzdruck Px basierend auf einem vorab darin gespeicherten Kennfeld berechnet.

In Schritt 103 hat das Steuergerät 6 den augenblicklichen Differenzdruck (P0 – P1) mit dem Solldifferenzdruck Px verglichen. Wenn P0 – P1 ≤ Px war, hat das Steuergerät 6 in Schritt 105 berücksichtigt, daß die Versorgung des Heizers 40 mit elektrischer Leistung abgestellt wurde. Danach hat das Steuergerät 6 den Vorgang auf Schritt 100 zurückgesetzt. Andererseits hat das Steuergerät 6 die Versorgung des Heizers 40 mit elektrischer Leistung in Schritt 104 eingeschalten, wenn P0 – P1 > Px war, so daß der gerader-Fluß-strukturierte NOx sorbierende-und-reduzierende Katalysator 4 auf 250°C aufgeheizt wurde. Demgemäß wurde das an der Einlaßendfläche des gerader-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysators 4 haftende Leichtöl verdampft und gleichzeitig wurden darauf abgelagerte PMs leicht oxidiert. Danach setzte das Steuergerät 6 den Vorgang auf Schritt 100 zurück. Folglich hat das Steuergerät 6 den elektrischen Heizer 40 so gesteuert, um den gerader-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator 4 zu heizen, bis der augenblickliche Differenzdruck (P0 – P1) gleich dem Solldifferenzdruck Px oder weniger wurde (d.h. P0 – P1 ≤ Px).

Darüber hinaus wurde der in 3 dargestellte Vorgang parallel mit dem vorstehend beschriebenen Vorgang ausgeführt. Bei dem parallelen Vorgang wurden in Schritt 200 Signale, die von den zweiten und dritten Drucksensoren 50, 51 ausgegeben wurden, zuerst in das Steuergerät 6 eingegeben, um einen Druck P1 der Einlaßabgase am wand-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator 5 und einen Druck P2 der Auslaßabgase vom wand-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-undreduzierenden Katalysator 5 festzustellen. In Schritt 201 hat das Steuergerät 6 die augenblicklichen Fahrsituationen des Dieselmotors herausgefunden. In Schritt 202 hat das Steuergerät 6 einen ersten Solldifferenzdruck Py und einen zweiten Solldifferenzdruck Pz basierend auf einem vorab darin gespeicherten Kennfeld berechnet. Es sei angemerkt, daß der zweite Solldifferenzdruck Pz ein Differenzdruck ist, bei welchem der wand-Fluß-strukturierte NOx sorbierende-und-reduzierende Katalysator 5 erzwungen regeneriert werden soll. Darüber hinaus ist der erste Solldifferenzdruck Py kleiner als der zweite Solldifferenzdruck Pz (d.h. Py < Pz).

In Schritt 203 hat das Steuergerät 6 den augenblicklichen Differenzdruck (P1 – P2) mit dem zweiten Solldifferenzdruck Pz verglichen, der anhand der augenblicklichen Fahrsituationen des Dieselmotors berechnet wurde. Wenn P1 – P2 > Pz war, hat das Steuergerät 6 entschieden, daß der wand-Fluß-strukturierte NOx sorbierende-und-reduzierende Katalysator 5 verstopft ist. Dann hat das Steuergerät 6 den Vorgang so fortgesetzt, daß in Schritt 204 das erzwungene Regenerieren des wand-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysators 5 gestartet wurde.

Wenn der wand-Fluß-strukturierte NOx sorbierende-und-reduzierende Katalysator 5 in Schritt 204 erzwungen regeneriert wurde, hat der Injektor 12 Leichtöl mit einer Zugaberate von 0.1 c.c./sec. den Abgasen beigemengt. Nahezu gleichzeitig dazu hat das Steuergerät 6 in Schritt 205 die Versorgung des Heizers 40 mit elektrischer Leistung eingeschalten, so daß der gerader-Fluß-strukturierte NOx sorbierende-und-reduzierende Katalysator 4 auf 250°C geheizt wurde. Demgemäß stieg nicht nur die Temperatur der in den wand-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator 5 strömenden Einlaßabgase, sondern der gerader-Fluß-strukturierte NOx sorbierende-und-reduzierende Katalysator 4 erleichterte auch die Modifikationsreaktion des Leichtöls. Daher wurde nicht nur das Leichtöl vergast, sondern modifiziertes aktives HC strömte auch in den wand-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator 5. Daher entfernte der wand-Fluß-strukturierte NOx sorbierende-und-reduzierende Katalysator 5 gefangene PMs effizient durch Oxidation. Dann wurden in Schritt 206 ein Druck P1 der Einlaßabgase in den wand-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-undreduzierenden Katalysator 5 und ein Druck P2 der Auslaßabgase vom wand-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator 5 erneut in das Steuergerät 6 eingegeben. Danach hat das Steuergerät 6 den Vorgang auf Schritt 203 zurückgesetzt. Folglich hat das Steuergerät 6 die in den Schritten 204 bis 206 bezeichneten Vorgänge wiederholt, bis der zweite Solldifferenzdruck Pz niedriger als der augenblickliche Differenzdruck (P1 – P2) wurde, das bedeutet Pz < P1 – P2.

In Schritt 203 hat das Steuergerät 6 den Injektor 12 ausgeschalten, wenn der augenblickliche Differenzdruck (P1 – P2) der zweite Solldifferenzdruck Pz oder weniger wurde, um die Zugabe von Leichtöl in Schritt 207 zu stoppen. In Schritt 208 hat das Steuergerät 6 den augenblicklichen Differenzdruck (P1 – P2) mit dem ersten Solldifferenzdruck Py verglichen. In Schritt 208 hat das Steuergerät 6, wenn (P1 – P2) ≤ Py war, die Versorgung des Heizers 40 mit elektrischer Leistung in Schritt 210 ausgeschalten. Danach hat das Steuergerät 6 den Vorgang auf Schritt 200 zurückgesetzt.

Demgegenüber hat das Steuergerät 6 in Schritt 208, wenn (P1 – P2) > Py war, in Schritt 209 die Versorgung des Heizers 40 mit elektrischer Leistung eingeschalten, so daß der gerader-Fluß-strukturierte NOx sorbierende-und-reduzierende Katalysator 4 auf 350°C geheizt wurde. Demgemäß zeigte der gerader-Fluß-strukturierte NOx sorbierende-und-reduzierende Katalysator 4 nicht nur eine erweiterte NO Oxidationsaktivität, sondern löste auch darin gelagertes bzw. gespeichertes NOx. Folglich wurden im wand-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator 5 gespeicherte PMs oxidiert, da höchst reaktive, NOx enthaltende Abgase in den wand-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator 5 strömten. Danach setzte das Steuergerät 6 den Vorgang auf Schritt 200 zurück. Daher hat das Steuergerät 6 den elektrischen Heizer 40 so gesteuert, um den gerader-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator 4 weiterzuheizen, bis der augenblickliche Differenzdruck (P1 – P2) der erste Solldifferenzdruck Py oder weniger wurde (d.h. P1 – P2 ≤ Py).

(Vergleichsbeispiel Nr. 1)

Abgesehen davon, daß der erste Drucksensor 41 nicht an einer stromaufwärtigen Seite des Flusses der Abgase hinsichtlich des gerader-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysators 4 angeordnet ist; und daß der gerader-Fluß-strukturierte NOx sorbierende-und-reduzierende Katalysator 4 nicht mit dem elektrischen Heizer 40 vorgesehen ist, verwendet das Vergleichsbeispiel Nr. 1 die gleiche Abgasreinigungsvorrichtung wie in Beispiel Nr. 1.

Die Abgasreinigungsvorrichtung gemäß dem Vergleichsbeispiel Nr. 1 wurde im Hinblick auf die durchschnittliche Laufleistung des Dieselmotors und die PMs Ablagerung am gerader-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator 4 und am wand-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator 5 auf die gleiche Weise geprüft wie die Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Beispiel 1 geprüft wurde. Die untenstehende Tabelle 1 stellt die Ergebnisse dar.

Wie das Steuergerät 6 den elektrischen Heizer 40 während der vorstehend beschriebenen Überprüfung im Vergleichsbeispiel Nr. 1 gesteuert hat, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf das in 4 dargestellte Flußdiagramm erklärt.

Zuerst wurden in Schritt 300 von den zweiten und dritten Drucksensoren 50, 51 ausgegebene Erfassungssignale in das Steuergerät 6 eingegeben, um einen Druck P1 der Einlaßabgase in den wand-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator 5 und einen Druck P2 der Auslaßabgase aus dem wand-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator 5 zu bestimmen. In Schritt 301 hat das Steuergerät 6 die augenblicklichen Fahrsituationen des Dieselmotors herausgefunden. In Schritt 302 hat das Steuergerät 6 einen Solldifferenzdruck Pz basierend auf einem vorab darin gespeicherten Kennfeld berechnet. In Schritt 303 hat das Steuergerät die augenblickliche Druckdifferenz (P1 – P2) mit dem Solldifferenzdruck Pz verglichen.

Wenn P1 – P2 > Pz war, hat das Steuergerät 6 beurteilt, daß der wand-Fluß-strukturierte NOx sorbierende-und-reduzierende Katalysator 5 verstopft war. Dann hat das Steuergerät 6 in Schritt 304 die Drehzahl des Dieselmotors auf 2.400 U/min geregelt, so daß die Temperatur des Einlaßabgase des wand-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysators 5 auf etwa 350°C eingestellt wurde. Gleichzeitig dazu hat der Injektor 12 in Schritt 305 Leichtöl mit einer Zugaberate von 0.1 c.c./sec den Abgasen beigemengt. Dann wurden in Schritt 306 ein Druck P1 der Einlaßabgase in den wand-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator 5 und ein Druck P2 der Auslaßabgase vom wand-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator 5 erneut in das Steuergerät 6 eingegeben. Danach hat das Steuergerät den Vorgang auf Schritt 303 zurückgesetzt. Folglich hat das Steuergerät 6 die Motordrehzahl des Dieselmotors auf 2.400 U/min gehalten und den Injektor 12 dazu angehalten, Leichtöl zuzugeben, bis der augenblickliche Differenzdruck (P1 – P2) der Solldifferenzdruck Pz oder weniger wurde, d.h. P1 – P2 ≤ Pz.

Im Gegensatz dazu berücksichtigte das Steuergerät 6 in Schritt 307, daß der Injektor 12 nicht betätigt war, und daß die Motordrehzahl des Dieselmotors die unter gewöhnlichen Fahrumständen war, wenn in Schritt 303 P1 – P2 ≤ Pz war. Daher hat das Steuergerät den Vorgang auf Schritt 300 zurückgesetzt.

(Vergleichsbeispiel Nr. 2)

Abgesehen davon, daß das Steuergerät 6 keine Steuerung ausführt, hat das Vergleichsbeispiel 2 die selben Anordnungen wie die der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Beispiel Nr. 1.

Die Abgasreinigungsvorrichtung gemäß dem Vergleichsbeispiel Nr. 2 wurde im Hinblick auf die durchschnittliche Laufleistung des Dieselmotors und die PMs Ablagerung am gerader-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator 4 und am wand-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator 5 auf die gleiche Weise geprüft wie die Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Beispiel 1 geprüft wurde. Die untenstehende Tabelle 1 stellt die Ergebnisse dar.

(Auswertung)

5 zeigt die Beziehungen zwischen Zeiten und augenblicklichen Differenzdrücken &Dgr;P (P1 – P2), welche sich bei den auf die vorstehend beschriebenen Arten gesteuerten Abgasreinigungsvorrichtungen gemäß Beispiel Nr. 1 und Vergleichsbeispiel Nr. 1 gezeigt haben. Bei der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Beispiel Nr. 1 wurde die benötigte Zeit zum Anheben des augenblicklichen Differenzdrucks (P1 – P2) auf den vorbestimmten Differenzdruck Pz auf etwa das Doppelte wie bei der Abgasreinigungsvorrichtung des Vergleichsbeispiels Nr. 2 ausgedehnt, da der elektrische Heizer 40 häufig ein- und ausgeschalten wurde.

Aus der vorstehenden Tabelle 1 ist ersichtlich, daß die Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Beispiel Nr. 1 eine PM Ablagerung zeigte, die geringer war als die der Abgasreinigungsvorrichtungen gemäß der Vergleichsbeispiele Nr. 1 und 2, und daß die von der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Beispiel Nr. 1 gezeigte Laufleistung besser war, als die von der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Vergleichsbeispiel Nr. 2. Daher ist es, wenn der elektrische Heizer 40 in Übereinstimmung mit den von den Drucksensoren 41, 50 und 51 ausgegebenen Erfassungssignalen geeignet gesteuert wird, möglich, die Zeitdauer zwischen den Behandlungen zur erzwungenen Regeneration des wand-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysators 5 auszudehnen und demgemäß die Zugabe von Leichtöl zu verringern. Daraus resultierend wurde die Laufleistung des mit der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Beispiel Nr. 1 ausgestatteten Dieselmotors gesteigert. Darüber hinaus ist es klar bzw. erwiesen, daß die Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Beispiel Nr. 1 abgelagerte PMs durch Oxidation effektiver gereinigt hat, als es die Abgasreinigungsvorrichtungen gemäß der Vergleichsbeispiele Nr. 1 und 2 getan haben.

(experimentelles Beispiel Nr. 1)

Die Abgasreinigungsvorrichtungen gemäß Beispiel Nr. 1 und Vergleichsbeispiel Nr. 2 wurden für 2 Stunden betrieben, während Leichtöl durch den Injektor 12 unter den folgenden Bedingungen zugegeben wurde:

der vorstehende Dieselmotor wurde mit einer Drehzahl von 1.600 U/min und einem Drehmoment von 30 Nm auf einem Motorprüfstand betrieben; und

die Temperatur der Einlaßabgase in den gerader-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator 4 wurde auf 200°C gestellt.

Wenn die Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Beispiel Nr. 1 betrieben wurde, wurde die Steuerung auf die gleiche Weise ausgeführt, wie in Beispiel Nr. 1 beschrieben. Danach wurde der gerader-Fluß-strukturierte NOx sorbierende-und-reduzierende Katalysator 4 entfernt, um die Einlaßendfläche zu betrachten. Dann wurde das Endflächen-Blockierungsverhältnis des gerader-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysators 4 mittels einer Bildanalyse berechnet. 6 zeigt das Ergebnis.

Aus 6 wird geschätzt, daß bei der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Beispiel Nr. 1 ein Verstopfen der Einlaßendfläche des gerader-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysators 4 bemerkenswert verhindert wurde. Das bedeutet, daß, wenn der elektrische Heizer 40 geeignet in Übereinstimmung mit den von den ersten und zweiten Drucksensoren 41 und 50 ausgegebenen Erfassungssignalen wie im Beispiel Nr. 1 beschrieben gesteuert wird, es ersichtlich ist, daß es nicht nur möglich ist, die Ablagerung des Leichtöls, sondern auch der PMs auf der Einlaßendfläche des gerader-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysators 4 zu verhindern.

(experimentelles Beispiel Nr. 2)

Die Abgasreinigungsvorrichtungen gemäß Beispiel Nr. 1 und Vergleichsbeispiel Nr. 2 wurden für 2 Stunden betrieben, während Leichtöl durch den Injektor 12 unter den folgenden Bedingungen zugegeben wurde:

der vorstehende Dieselmotor wurde mit einer Drehzahl von 2.900 U/min und einem Drehmoment von 80 Nm auf einem Motorprüfstand betrieben; und

die Temperatur der Einlaßabgase in den wand-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator 5 wurde auf 350°C gestellt.

Wenn die Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Beispiel Nr. 1 betrieben wurde, wurde die Steuerung auf die gleiche Weise ausgeführt wie in Beispiel Nr. 1 beschrieben. Während des Betriebs wurden die Einlaßabgase in den wand-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator 5 auf Temperaturveränderung und HC Zusammensetzung geprüft. 7 zeigt die resultierende Temperaturveränderung. 8 zeigt die resultierende HC Zusammensetzung.

Aus 7 ist ersichtlich, daß die Temperatur der Einlaßabgase in den wand-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator 5 der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Beispiel Nr. 1 höher war als bei der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Vergleichsbeispiel Nr. 2. Daher ist es erwiesen, daß der elektrische Heizer 40, der wie vorstehend beschrieben betrieben wurde, die Temperatur der Einlaßabgase in den wand-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator 5 erhöht hat. Darüber hinaus kann anhand von 8 bemerkt werden, daß bei der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Beispiel Nr. 1 die HC in den Einlaßabgasen in den wand-Fluß-strukturierten NOx sorbierenden-und-reduzierenden Katalysator 5 ein geringeres Molekulargewicht zeigen als die der Abgasreinigungsvorrichtung gemäß Vergleichsbeispiel Nr. 2. Diese Tatsache impliziert, daß das Leichtöl teilweise oxidiert und möglicherweise verändert wurde.


Anspruch[de]
Vorrichtung zur Reinigung eines Abgases das Feststoffe enthält und in einem Abgassystem fließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aufweist:

einen ersten Katalysator (4);

einen zweiten Katalysator (5), der ein NOx sorbierender-und-reduzierender Katalysator ist, und der an einer stromabwärtigen Seite des ersten Katalysators (4) angeordnet ist;

eine Heizeinrichtung (40) zum Heizen des ersten Katalysators (4);

einen Injektor (12), der ein flüssiges Reduktionsmittel in das Abgas einspritzt, und der an einer stromaufwärtigen Seite des ersten Katalysators (4) angeordnet ist;

eine Differenzdruck-Erfassungseinrichtung (41, 50, 51) zum Erfassen einer Druckdifferenz zwischen Einlaß- und Auslaßseiten des ersten Katalysators (4) und/oder einer Druckdifferenz zwischen Einlaß- und Auslaßseiten des zweiten Katalysators (5); und

eine Steuereinrichtung (6), um zumindest die Heizeinrichtung (40) zu steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweite Katalysator (5) ein Filter-Katalysator ist, mit:

einem wand-Fluß-strukturierten wabenförmigen Substrat mit

einer Einlaßzelle, die an einer stromabwärtigen Seite davon befestigt ist,

einer Auslaßzelle, die benachbart zur Einlaßzelle angeordnet ist, und mit einer stromaufwärtigen Seite davon verbunden ist, und

einer Zellwand, welche die Einlaßzelle und die Auslaßzelle voneinander abgrenzt und eine darin befindliche Pore aufweist; und

einer auf einem Substrat der Zellwand und einer Innenfläche der Pore ausgebildeten katalytischen Schicht mit

einem Oxidträger,

einem katalytischen Bestandteil, der auf den Oxidträger geladen ist, und

einem NOx sorbierenden Material, das auf den Oxidträger geladen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Katalysator (4) aufweist:

ein gerader-Fluß-strukturiertes wabenförmiges Substrat mit

einer Zelle, durch welche das Abgas von einer stromaufwärtigen Seite zu einer stromabwärtigen Seite fließt, und

eine Zellwand, welche die Zelle trennt; und

eine katalytische Schicht mit

einem Oxidträger, und

einem katalytischem Bestandteil, das auf den Oxidträger geladen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die katalytische Schicht des ersten Katalysators (4) ferner ein NOx sorbierendes Material aufweist, das auf den Oxidträger geladen ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste Katalysator (4) mit der Heizeinrichtung (40) vorgesehen ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Differenzdruck-Erfassungseinrichtung aufweist:

ein erstes Druckerfassungselement (41) zum Erfassen eines Druckes an einer stromaufwärtigen Seite des ersten Katalysators (4);

ein zweites Druckerfassungselement (50) zum Erfassen eines Drucks zwischen dem ersten Katalysator (4) und dem zweiten Katalysator (5); und

ein drittes Druckerfassungselement (51) zum Erfassen eines Drucks an einer stromabwärtigen Seite des zweiten Katalysators (5).
Verfahren zur Reinigung eines Abgases, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren aufweist:

einen Prozeß zur Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6,

wobei der Prozeß aufweist

einen Schritt zum Steuern der Heizeinrichtung, um für den Fall, daß eine Druckdifferenz zwischen den Einlaß- und Auslaßseiten des ersten Katalysators, welche durch die Differenzdruck-Erfassungseinrichtung erfaßt wird, einen vorherbestimmten Wert überschreitet, zu handeln, und/oder

einen Schritt zum Steuern der Heizeinrichtung, um für den Fall, daß eine Druckdifferenz zwischen den Einlaß- und Auslaßseiten des zweiten Katalysators, welche durch die Differenzdruck-Erfassungseinrichtung erfaßt wird, einen vorherbestimmten Wert überschreitet, zu handeln.
Verfahren zur Reinigung eines Abgases nach Anspruch 7, wobei der Prozeß ferner aufweist:

einen Schritt zur Betätigung des Injektors, um für den Fall, daß eine Druckdifferenz zwischen den Einlaß- und Auslaßseiten des zweiten Katalysators, welche durch die Differenzdruck-Erfassungseinrichtung erfaßt wird, einen vorherbestimmten Wert überschreitet, zu handeln.
Verfahren zur Reinigung eines Abgases nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Heizeinrichtung gesteuert wird, um das Abgas aufzuheizen, um das Abgas in einem Temperaturbereich zwischen 250 und 350°C durch den ersten Katalysator strömen zu lassen. Verfahren zur Reinigung eines Abgases nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Heizeinrichtung gesteuert wird, um das Abgas aufzuheizen, um das Abgas in einem Temperaturbereich zwischen 250 und 700°C durch den zweiten Katalysator strömen zu lassen. Verfahren zur Reinigung eines Abgases nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Heizeinrichtung gesteuert wird, um das Abgas aufzuheizen, um das Abgas in einem Temperaturbereich zwischen 600 und 700°C durch den zweiten Katalysator strömen zu lassen.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
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