DE60300548T2

DE60300548T2 - Katalysator zur Reinigung von Abgasen

Info

Publication number: DE60300548T2
Application number: DE60300548T
Authority: DE
Inventors: Yusuke Machida-shi Niwa; Junji Yokohama-shi Ito
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-02-19
Filing date: 2003-02-18
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2023-02-19
Also published as: US7134272B2; EP1336731A1; DE60300548D1; JP4244648B2; EP1336731B1; US20030167752A1; JP2003314328A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Technologie zur Steuerung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zur Reinigung von Abgas, welches von einer Verbrennungskraftmaschine, einer Verbrennungsanlage oder dergleichen ausgestoßen wird, und insbesondere ein Abgas-Reinigungssystem, welches geeignet ist, die in dem Abgas enthaltenen Stickstoffoxide durch die wirksame Verwendung von Wasserstoff effizient zu reinigen.
Um den Kraftstoffverbrauch von Verbrennungskraftmaschinen zu verbessern, wird ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis einer Mischung, welche der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird, auf ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis in einem abgemagerten Zustand gesteuert, wobei A/F ungefähr 22 beträgt (A: Luftmasse, F: Kraftstoffmasse), das heißt ein Kraftstoff-Verhältnis ist kleiner als ein stoichiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis von A/F = 14,7. Ein Drei-Wegekatalysator, welcher zur Reinigung von NOx in dem Abgas verwendet wird, hat jedoch die höchste Reinigungswirksamkeit bei dem stoichiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Demzufolge wird, da die Luft-Kraftstoff-Verhältnissteuerung zu der abgemagerten Seite die Wirksamkeit der NOx Reinigung des Drei-Wegekatalystors verringert, ein großes Volumen an Stickstoffoxiden, d. h. NOx, an die Atmosphäre abgegeben.
Daher wird für eine Verbrennungskraftmaschine, welche die Magergemischverbrennung durchführen kann, das Reinigen der Stickstoffoxide durch einen NO Falle-Katalysator enthaltend ein NOx Adsorptionsmittel zum Einschließen der Stickstoffoxide eingesetzt. Dieses NOx Adsorptionsmittel fängt das NOx zu einem Zeitpunkt eines abgemagerten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, und reduziert das eingefangene NOx durch ein Reduktionsmittel (HC, CO oder H) zu dem Zeitpunkt eines fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, um das NOx abzugeben und zu reinigen. Die Reduziermittel, welche für das Abführen und Reinigen des NOx nicht verwendet werden, werden durch Oxidation entfernt.
In dem Fall eines NOx Adsorptionsmittels, welches in dem NOx Falle-Katalysator enthalten ist, kann die Verbrennung des Magergemischs jedoch nicht für einen langen Zeitraum durchgeführt werden, aufgrund einer Beschränkung des Volumens der zu fangenden Stickstoffoxide. Um daher die gefangenen Stickstoffoxide abzugeben und zu reini gen, muss eine Kontrolle durchgeführt werden, um ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis zeitweise anzureichern. Im übrigen können die Kontrollbedingungen für die Anreicherung, d. h. die Kontrollbedingungen eines Wertes eines A/F-Verhältnisses und einer Aufrechterhaltungsdauer eines fetten Zustandes, von einer Gasdurchflussrate oder einer Gasdurchflussgeschwindigkeit abhängen. Die Gasdurchflussrate wird durch eine Raumgeschwindigkeit (SV) eines durch den Katalysator geleiteten Abgases dargestellt. Die Raumgeschwindigkeit ist ein Wert, erhalten durch das Teilen einer Gasflussrate (l/min) durch ein Katalysatorvolumen (I). Im Folgenden bedeutet in der Beschreibung die Gasdurchflussrate eine Gasraumgeschwindigkeit (SV), es sei denn es ist anders angegeben.
Eine Zunahme einer Gasdurchflussrate führt zu einer Zunahme einer Beladung der Verbrennungskraftmaschine, eine Abgastemperatur wird erhöht, um eine Temperatur des NOx Falle-Katalysators zu erhöhen. Durch diese Temperaturerhöhung, wird auch die Menge des aus dem NOx Falle-Katalysator abgegebenen NOx erhöht. Auf der anderen Seite, reduziert eine erhöhte Gasdurchflussrate eine Kontaktdauer zwischen dem Abgas und dem Katalysator und verringert die Wirksamkeit der Reaktion und daher wird auch die Wirksamkeit der Reinigung des NOx verringert. Daher wird die Kontrolle durchgeführt, um ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)r zum Zeitpunkt der Anreicherung mehr zu verringern oder um die Dauer der Anreicherung (tr) zu verlängern, wenn die Gasdurchflussrate oder die Gasdurchflussgeschwindigkeit erhöht wird.
Das obige NOx Reinigungsverfahren ist in einem relativ hohen Temperaturbereich von 300°C oder mehr sehr effektiv. Die Wirksamkeit der NOx Reinigung wird jedoch in einem Temperaturbereich unterhalb dieses Bereichs beträchtlich verringert. Dies wird den Entladungsschwierigkeiten der eingeschlossenen Stickstoffoxide von dem NOx Adsorptionsmittel in dem Niedertemperaturbereich zugeschrieben. Untersuchungen durch die Erfinder und andere zeigten, dass Kohlenstoffmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoff (HC), insbesondere CO, die Entladung der Stickstoffoxide unterdrückt. Man hat jedoch herausgefunden, dass die Verwendung von nur Wasserstoff als ein Reduktionsmittel die Entladung der Stickstoffoxide deutlich unterstützt, um die NOx Reinigungsleistung dramatisch zu verbessern. Basierend auf dieser Erkenntnis offenbart die EP-A-1094206 ein System, welches einen Wasserstoff-Katalysator, bei welchem es sich um eine Wasserstoff anreichernde Einrichtung handelt, und ein NOx Reinigungskatalysator verbunden werden, in welchem unter Reduziermitteln, d. h. CO, HC und Wasserstoff (H₂), erzeugt während der Anreicherung, das CO und das HC selektiv reduziert werden, und der Wasserstoff wird erhöht, um zugeführt zu werden.
In dem in der zuvor genannten Veröffentlichung offenbarten System werden das CO und das HC stark reduziert, um die Wasserstoff-Konzentration durch den Wasserstoff-Katalysator zu erhöhen, welcher an der stromaufwärts gelegenen Seite des NOx Reinigungskatalysators angeordnet ist, wodurch die NOx Reinigungsleistung dramatisch verbessert werden kann, auch in dem Niedertemperaturbereich. Wird jedoch eine Gas-Durchflussrate (Durchflussgeschwindigkeit) verringert, wird eine Verweildauer des Abgases erhöht, und es werden nicht nur das CO und das HC sondern auch der Wasserstoff durch den Wasserstoff-Katalysator reduziert. Als ein Ergebnis wird dem NOx Reinigungskatalysator fast kein Wasserstoff zugeführt, wodurch ein Phänomen der Verengerung der Wirksamkeit der NOx-Reinigung erzeugt wird.
Das heißt, wenn ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)r zum Zeitpunkt der Anreicherung und eine Anreicherungsdauer (tr) zur Abgabe/Reinigung des eingeschlossenen NOx festgelegt werden, wird die Menge des zu erzeugenden CO und HC reduziert, wenn die Gas-Durchflussrate weiter verringert wird. Da auf der anderen Seite ein Volumen des Wasserstoff-Katalysators nicht verändert wird, wird das Reaktionsvermögen zwischen dem CO oder dem Wasserstoff, erzeugt durch die Anreicherung, und dem Wasserstoff-Katalysator erhöht, wenn die Gas-Durchflussrate (Gas-Durchflussgeschwindigkeit) verringert wird. Als ein Resultat wird nicht nur das CO, sondern auch der Wasserstoff reduziert, so dass die Wirkung der NOx Reinigung in dem Niedertemperaturbereich verringert wird.
Die vorliegende Erfindung ist entwickelt worden, um die vorgenannten Probleme in Abgas-Reinigungssystemen zu lösen. Ein Gegenstand der Erfindung ist es, ein Abgas-Reinigungssystem bereitzustellen, welches geeignet ist, konstant die Menge an Wasserstoff, welche zur NOx Reinigung notwendig ist, aus einem Wasserstoff-Katalysator an einer stromaufwärts gelegenen Seite bereitzustellen, ohne durch die Fluktuation bzw. Schwankung beeinflusst zu werden, auch wenn eine Fluktuation in einer Abgas-Durchflussrate oder -Durchflussgeschwindigkeit auftritt, und geeignet ist, Stickstoffoxide auch in einem Niedertemperaturbereich wirksam zu reinigen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform umfasst ein Abgas-Reinigungssystem eine Verbrennungskraftmaschine, einen Auslasskanal für Abgas aus der Verbrennungskraftmaschine, einen Wasserstoff-Katalysator, welcher in dem Auslasskanal bereitgestellt ist, einen NOx Reinigungskatalysator, welcher stromabwärts des Wasserstoff-Katalysators in dem Auslasskanal bereitgestellt ist, um die Stickstoffoxide zu reduzieren, und eine Steuerungseinheit. Der Wasserstoff-Katalysator führt wenigstens eine der folgenden Reaktionen (a) bis (c) durch,

(a) die Reaktion zur selektiven Entfernung von CO durch Oxidation und zur Unterdrückung des Verbrauchs von Wasserstoff,
(b) die Reaktion zur Adsorption von CO und Übertragung von Wasserstoff, und
(c) die Reaktion des Reagierens von CO mit H₂O, um Wasserstoff zu erzeugen.

Die Steuerungseinheit zur Steuerung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses einer Gasmischung aus Kraftstoff und Luft, bereitgestellt für die Verbrennungskraftmaschine, führt eine Steuerung der Anreicherungs- bzw. Anfettungsbedingungen zur Reduzierung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (A/F)r während der Anreicherung bzw. Anfettung durch, um einen Zeitraum der Anreicherung bzw. Anfettung (tr) zu verlängern, wenn eine Durchflussgeschwindigkeit des Gases, welches von der Verbrennungskraftmaschine abgegeben wird, bei der zeitweisen Anreicherung bzw. Anfettung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses verringert wird.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Abgas-Reinigungssystem eine Verbrennungskraftmaschine, einen Auslasskanal für Abgas aus der Verbrennungskraftmaschine, einen Wasserstoff-Katalysator bereitgestellt in dem Auslasskanal, einen NOx Reinigungskatalysator bereitgestellt stromabwärts des Wasserstoff-Katalysators in dem Auslasskanal, und eine Steuerungseinheit, welche ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Gasmischung aus Kraftstoff und Luft steuert, welches der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird. Der Wasserstoff-Katalysator enthält Ceroxid und Edelmetall aus wenigstens einem oder mehreren gewählt aus der Gruppe bestehend aus Pt, Pd und Rh. Der NOx Reinigungskatalysator besteht aus Alkalimetall oder Erdalkalimetall und Edelmetall aus wenigstens einem oder mehreren gewählt aus der Gruppe bestehend aus Pt, Pd und Rh. Die Steuerungseinheit reduziert ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)r während der Anreicherung, um den Zeitraum der Anreicherung (tr) zu verlängern, wenn eine Durchflussgeschwindigkeit des von der Verbrennungskraftmaschine abgegebenen Abgases verringert wird.
Gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung, wird ein Steuerungsverfahren bereitgestellt für ein Abgas-Reinigungssystem mit einer Verbrennungskraftmaschine, einem Auslasskanal für Abgas aus der Verbrennungskraftmaschine, einem Wasserstoff-Katalysator bereitgestellt in dem Auslasskanal, wobei der Wasserstoff-Katalysator we nigstens CeO₂ und Edelmetall enthält, und einem NOx Reinigungskatalysator bereitgestellt stromabwärts des Wasserstoff-Katalysators in dem Auslasskanal, um die Stickstoffoxide zu reduzieren. Das Kontrollverfahren umfasst das

(a) Ermitteln der Luftmenge, welche in die Verbrennungskraftmaschine eingesaugt wird;
(b) Ermitteln der Temperatur des Abgases, welches in den Wasserstoff-Katalysator fließt;
(c) Lesen von vorgespeicherten ersten bis vierten Speicherwerten, wobei der erste Speicherwert eine Beziehung zwischen der Menge der angesaugten Luft und der Menge des adsorbierten CO in dem Wasserstoff-Katalysator angibt; der zweite Speicherwert eine Beziehung zwischen der Abgastemperatur und der Menge an adsorbierten CO in dem Wasserstoff-Katalysator angibt; der dritte Speicherwert eine Beziehung zwischen der Menge an angesaugter Luft und der Menge an reagierten CO in dem Wasserstoff-Katalysator angibt, und der vierte Speicherwert eine Beziehung zwischen der Abgastemperatur und der Menge an reagierten CO in dem Wasserstoff-Katalysator angibt;
(d) Lesen einer Menge an adsorbierten CO und der Menge des in dem Wasserstoff-Katalysator reagierten CO basierend auf der ermittelten Menge der angesaugten Luft und der ermittelten Abgastemperatur unter Bezugnahme auf die ersten bis vierten Speicherwerte, und Vorausberechnen der Menge des CO-Verbrauchs in dem Wasserstoff-Katalysator aus der Menge des absorbierten CO und der Menge an reagierten CO;
(e) Lesen von eingespeicherten fünften und sechsten Speicherwerten, wobei der fünfte Speicherwert eine Beziehung zwischen der Menge des CO-Verbrauchs und einer optimalen Menge der Kraftstoffeinspritzung in Bezug auf die Menge des CO-Verbrauchs bereitstellt, und der sechste Speicherwert die Menge des CO-Verbrauchs und eine optimale Dauer der Kraftstoff-Einspritzung in Bezug auf die Menge des CO-Verbrauchs angibt; und
(f) Bestimmen der optimalen Menge der Kraftstoff-Einspritzung und eines optimalen Zeitraums der Kraftstoff-Einspritzbedingungen basierend auf der vorher gesagten Menge an CO-Verbrauch unter Bezugnahme auf die fünften und sechsten Speicherwerte.

1 zeigt eine Ansicht eines Beispiels eines Abgas-Reinigungssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt ein Flussdiagramm, welches ein Steuerungsverfahren für das Abgas-Reinigungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
3 ist eine Werte-Tabelle, die konzeptionell einen Speicherwert zeigt, welcher die zusammenhängenden Werte zwischen der Temperatur des Wasserstoff-Katalysators und der in einen Wasserstoff-Katalysator adsorbierten Menge an CO darstellt.
4 ist eine Werte-Tabelle, die konzeptionell einen Speicherwert zeigt, welcher die zusammenhängenden Werte zwischen der Temperatur des Wasserstoff-Katalysators und der in den Wasserstoff-Katalysator adsorbierten Menge an CO darstellt.
5 zeigt ein weiteres Beispiel eines Speicherwertes, welche die Beziehung der Werte zwischen der Menge der in die Verbrennungskraftmaschine angesaugten Luft und der Menge an in dem Wasserstoff-Katalysator reagierten CO darstellt.
6 zeigt ein Beispiel eines Speicherwertes, welches die Beziehung der Werte zwischen der Temperatur des Wasserstoff-Katalysators und der Menge an in den Wasserstoff-Katalysator adsorbierten CO darstellt.
7 zeigt ein Beispiel eines Speicherwertes einer optimalen Menge der Kraftstoffeinspritzung in Bezug auf die Menge des CO-Verbrauchs in dem Wasserstoff-Katalysator.
8 zeigt ein Beispiel eines Speicherwertes der Menge der Kraftstoffeinspritzung in Bezug auf die Menge des CO-Verbrauchs in dem Wasserstoff-Katalysator.
9 zeigt eine Kurve, welche die relativen Werte an Wasserstoff und CO-Gehalten in dem Abgas vor und nach dem Durchfluss durch den Wasserstoff-Katalysator zeigt, im Vergleich zwischen den Fällen mit hohen und niedrigen Gaszuflussgeschwindigkeiten in einem Abgas-Reinigungssystem eines Vergleichsbeispiels 1 der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt eine Kurve, welche die relativen Werte an Wasserstoff und CO-Gehalten in dem Abgas nach dem Durchgang durch den Wasserstoff-Katalysator in dem Fall einer niedrigen Abgas-Durchflussgeschwindigkeit in dem Abgas-Reinigungssystem des Vergleichsbeispiels 1 und 2 unter Beispiel 1 und 2 der vorliegenden Erfindung darstellt.
Nachfolgend wird eine detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des Abgas-Reinigungssystems der vorliegenden Erfindung bereitgestellt. In der Beschreibung bedeutet „%" ein Masseprozentanteil, es sei denn, es ist anders angegeben.
1 zeigt eine Ansicht eines Beispiels eines Abgas-Reinigungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Verbrennungskraftmaschine 1 weist einen Luft-Einlassweg und einen Gas-Auslasskanal auf. Luft wird aus einem Luftreiniger 3 über ein Drosselventil 4 in den Luft-Einlassweg gesaugt. Ein Luftdurchflussmeter 6 ist an der stromabwärts gelegenen Seite des Drosselventils 4 angeordnet, um die in die Verbrennungskraftmaschine 1 gesaugte Luftmenge zu messen. Ein Wasserstoff-Katalysator 7 ist an der stromaufwärts gelegenen Seite des Abgaskanals der Verbrennungskraftmaschine angeordnet, und ein NOx Falle-Katalysator 8 ist als ein NOx Reinigungskatalysator an der stromabwärts gelegenen Seite angeordnet. Zusätzlich ist ein Katalysator-Temperatursensor 9 vor dem Wasserstoff-Katalysator 7 angeordnet und ein A/F Sensor 10 ist vor dem NOx Falle-Katalysator 8 angeordnet.
In 1 wird ein von dem Luftdurchflussmesser 6, dem Katalysator-Temperatursensor 9, dem A/F Sensor 10 oder dergleichen ermitteltes Signal zu einem Steuerkreis (Katalysator-Steuerungseinheit) 11 geschickt. Nach der Analyse in dem Steuerkreis 11, wird das Signal in ein Signal zur Einstellung eines Abgasluft-Kraftstoff-Verhältnisses umgewandelt und von dem Steuerkreis 11 ausgegeben. Das ausgegebene Signal wird zu einem Antriebskreis geschickt, welcher in jeder einer Zündkerze 2, dem Drosselventil 4 und einem Kraftstoff-Einspritzventil 5 vorhanden ist, um die gleichen anzutreiben.
Die von dem Luftreiniger 3 angesaugte Luftmenge wird durch das Drosselventil 4 eingestellt und in eine Verbrennungskammer der Verbrennungskraftmaschine 1 eingeführt. Des Weiteren wird Kraftstoff aus dem Kraftstoffeinspritzventil 5 in die in die Verbrennungskammer der Verbrennungskraftmaschine 1 eingeführten Luft eingespritzt, um eine Mischung zu erzeugen. Die Mischung wird durch die Zündkerze 2 gezündet, und brennt so mit einem gewünschten Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Anschließend wird das Abgas mit dem Luft-Kraftstoff-Verhältnis erzeugt und in den Auslasskanal für Abgas abgegeben, in welchem der Wasserstoff-Katalysator 7 und der NOx Falle-Katalysator 8 angeordnet ist.
Bei dem Abgas-Reinigungssystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wird zum Zweck der Reinigung und Abgase des in dem NOx Falle-Katalysator 8 oder dergleichen eingeschlossenen NOx ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis periodisch auf eine fette Seite durch die Steuereinheit 11 gesteuert. Insbesondere bei Niedertemperaturbedingungen einer Abgastemperatur von 300°C oder darunter, wird zur Erhöhung eines Betriebs des Wasserstoff-Katalysators 7 eine Steuerung durchgeführt, in Übereinstimmung mit einer Reduktion einer Abgas-Durchflussgeschwindigkeit, um ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)r zu verringern und um einen Zeitraum der Anreicherung (tr) während der Anreicherung zu verlängern, wenn die Abgasdurchflussgeschwindigkeit reduziert wird. Wenn die Abgasdurchflussgeschwindigkeit (SV) reduziert ist, wird ein Verhältnis eines Kraftstoffgas-Zersetzungsbestandteils in dem Abgas erhöht. Demzufolge werden die Mengen an Wasserstoff und CO, welche in dem Abgas enthalten sind, erhöht und in dem Wasserstoff-Katalysator 7 wird die Oxidationsreaktion des CO vorzugsweise ausgeführt, um nur das CO zu reduzieren, während der Wasserstoff den NOx Reinigungskatalysator an der stromabwärts gelegenen Seite erreicht, ohne oxidiert zu werden. Daher wird die für die NOx Reinigung notwendige Menge an Wasserstoff konstant zugeführt, ohne durch die Schwankungen beeinflusst zu werden, auch wenn Schwankungen in der Abgas-Durchflussgeschwindigkeit oder der Flussgeschwindigkeit auftreten, um die Stickstoffoxide wirksam zu reinigen.
Im Folgenden wird jeder Katalysator, der in dem Abgas-Reinigungssystem der Ausführungsform verwendet wird, im Detail beschrieben.
Der Wasserstoff-Katalysator 7 besitzt eine Funktion, die Wasserstoffkonzentration in den gesamten Reduzierbestandteilen zu erhöhen, indem CO in dem angereicherten Abgas selektiv reduziert wird, und Wasserstoff erzeugt oder befördert wird. In dem Wasserstoff-Katalysator 7 können hauptsächlich die folgenden Reaktionen auftreten:

(a) Die Reaktion zur selektiven Entfernung von CO durch Oxidation und zur Unterdrückung des Verbrauchs von Wasserstoff und der Beförderung von Wasserstoff;
(b) Reaktion zur Adsorption von CO und Übertragung von Wasserstoff; und
(c) Reaktion des Reagierens von CO mit H₂O, um Wasserstoff zu erzeugen.

Anfänglich wird das CO in dem Abgas von dem Wasserstoff-Katalysator adsorbiert, die Reaktion (b) schreitet vor allem voran, und anschließend schreitet die Reaktion (a) voran. Des Weiteren schreitet die Reaktion (c) voran, wenn das CO mit H₂O in dem Abgas reagiert, um Wasserstoff zu erzeugen. Diese Reaktionen werden wiederholt. Demzufolge schreiten mit dem Verlauf der Zeit, eine Vielzahl von Reaktionen an unterschiedlichen Stellen in dem Wasserstoff-Katalysator gleichzeitig fort.
Als eine Zusammensetzung des Wasserstoff-Katalysators 7, wird ein Material mit Sauerstoffspeicher wie CeO₂ oder ein CeO₂-Verbundoxid (Sauerstoff-Speicherungsmittel), ein Material mit einer CO Adsorptionsfähigkeit, oder ein Material welches eine optionale Mischung dieser Materialien enthält, und Pt, Pd oder Rh oder eine optionale Mischung dieser verwendet. Übrigens können als Material mit einer CO-Adsorptionsfähigkeit, ein Material wie CeO₂ mit einer Sauerstoffspeicherungsfunktion, Kupfer oder dergleichen genannt werden.
Daher braucht der Wasserstoff-Katalysator nur Speichersauerstoff wie CeO₂ oder ein CeO₂ Verbundoxid und Pt, Pd oder Rh oder eine Mischung dieser zu enthalten. Wird des weiteren Aluminiumoxid als ein Zusatzmittel zugegeben, kann die Funktion des Übertragens und Erzeugens von Wasserstoff noch verbessert werden. Der Vorzug der Reaktionen (a) bis (c) hängt von der Menge des gespeicherten Sauerstoffs oder der Menge des adsorbierten CO's in dem Katalysator ab.
Wie oben beschrieben, enthält der Wasserstoff-Katalysator den Drei-Wege Katalysator-Bestandteil, das CO kann jedoch deutlich reduziert werden, auch wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf der fetten Seite befindet. Andererseits wird bei herkömmlichen Drei-Wege Katalysatoren die CO Reinigungswirksamkeit deutlich bei der fetten Seite reduziert. In diesem Zusammenhang unterscheidet sich der Wasserstoff-Katalysator deutlich hinsichtlich seiner Funktion von dem Drei-Wege Katalysator. Zusätzliche Eigenschaften des Katalysatormaterials sind, dass die Menge des gespeicherten Sauerstoffs und der CeO₂ Gehalt des Wasserstoff-Katalysators deutlich größer sind im Vergleich mit dem Drei-Wege Katalysator.
Der NOx Falle-Katalysator 8, welcher ein Beispiel eines NOx Reinigungskatalysators ist, weist eine Eigenschaft auf, dass NOx durch das enthaltene NOx Adsorptionsmittel an der mageren Seite des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses gefangen wird, und das gefangene NOx wird abgegeben/gereinigt durch ein Reduziermittel (HC, CO oder Wasserstoff) an der fetten Seite. Die Reduziermittel (HC, CO oder Wasserstoff), welche nicht für die Entfernung/Reinigung des NOx verwendet werden, werden durch Oxidation entfernt.
Bei solch einem NOx Falle-Katalysator kann das NOx Adsorptionsmittel, dessen Träger, d. h. Oxidkeramiken, oder ein Material, welches einen Drei-Wegekatalysator-Bestandteil enthält, verwendet werden. Als NOx Adsorptionsmittel, können Alkalimetall, Erdalkalimetall oder eine Mischung dieser verwendet werden. Aluminiumoxid kann als Träger verwendet werden. Pt, Pd oder Rh oder eine Mischung dieser kann als Drei-Wegekatalysator verwendet werden.
Übrigens kann jeder Katalysator, welcher an der stromabwärts gelegenen Seite des Wasserstoff-Katalysators 7 angeordnet ist, um Stickstoffoxide durch Reduktionsbestandteile zu reduzieren, welche hauptsächlich aus Wasserstoff bestehen, als NOx Reinigungskatalysatoren verwendet werden. Nicht nur die obigen NOx Fallen-Katalysatoren, sondern auch ein selektiver NOx Reduktionskatalysator kann verwendet werden, welcher Cu, Co, Ni, Fe, Ga, La, Ce, Zn, Ti, Ca, Ba oder Ag oder eine Mischung dieser und Pt, Ir oder Rh und eine Mischung dieser enthält. Bei dem Abgas-Reinigungssystem der vorliegenden Erfindung ist jedoch die Verwendung des NOx Falle-Katalysators bevorzugt, da Wasserstoff sehr effizient als ein Reduktionsbestandteil eingesetzt werden kann.
Zusätzlich wird bei dem Abgas-Reinigungssystem, welches in 1 dargestellt ist, eine Struktur zur Aufnahme des Wasserstoff-Katalysators 7 und des NOx Falle-Katalysators 8 in unterschiedlichen Katalysatorbehältern als ein Beispiel eingesetzt. Es ist jedoch möglich, diese Katalysatoren in dem gleichen Behälter anzuordnen, an Positionen an dessen stromabwärts und stromaufwärts gelegenen Seiten. Des Weiteren ist es möglich, die Katalysatoren mit Bestandteilzusammensetzungen an den Positionen an der stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Seiten des gleichen monolithischen Trägers aufzubringen.
Anschließend folgt eine Beschreibung eines Steuerungsverfahrens zur Übertragung oder Erzeugung von Wasserstoff durch das selektive Reduzieren von CO, um das NOx sehr effizient zu reinigen, auch in einem Niedertemperaturbereich in dem System, durch das Kombinieren des Wasserstoff-Katalysators 7 und des NOx Falle-Katalysators 8.
Für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)r während der Anreicherung und für den Zeitraum der Anreicherung (tr) wird die Steuerung hauptsächlich in Bezug auf die Menge der Kraftstoffeinspritzung, der Dauer der Kraftstoffeinspritzung oder eine Kraftstoffeinspritz-Zeitmessung, eine Zündungsdauer oder eine Öffnungs-/Schließzeitdauer eines Einlass/Abgabeventils oder eine optionale Kombination dieser durch Verbrennungs-Steuerungseinrichtungen. Insbesondere wird ein Z-Wert, welches ein theoretisches Mischungsverhältnis eines Oxidationsmittels und eines Reduktionsmittels darstellt, gesteuert. Das heißt die Atmosphäre wird eingestellt, dass sie eine Atmosphäre ist, bei welcher ein Z-Wert eines Abgases, welches in den Wasserstoff-Katalysator 7 fließt, intermittierend 1,0 oder niedriger ist, d. h. eine Atmosphäre, bei welcher ein Reduktionsbestandteil, wie ein Kohlenwasserstoff, im Überschuss vorhanden ist (Atmosphäre der fetten Seite), definiert in der folgenden Gleichung: Z = ([O2] × 2 + [NO])/([H2] × 2 + [CO] + [HC] × α)
Hierbei geben [O₂], [NO], [H₂], [CO] und [HC] jeweils die Konzentrationen von Sauerstoff, Stickstoffmonoxid, Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoff an, und α gibt einen Koeffizienten an, welcher durch eine Art des HC-Bestandteiles bestimmt wird.
Anschließend werden, wenn der NOx Falle-Katalysator 8 NOx reinigt, die Konzentrationen an Wasserstoff [H₂] und Konzentrationen der Reduktionsbestandteile [TR] in dem Abgas durch den Wasserstoff-Katalysator 7 gesteuert, um die Beziehungen zu erfüllen, dargestellt durch die folgenden Gleichungen (1) und (2): [H2/TR]d > [H2/TR]u (1) [H2/Tr]d ≥ 0,3 (2)
Hierbei gibt in den obigen Gleichungen [H₂/TR]u ein Verhältnis der Konzentration von Wasserstoff [H₂]u zu der Konzentration der gesamten Reduktionsbestandteile [TR]u vor der Ausführung der Anreicherung oder an der stromaufwärts gelegenen Seite an. [H₂/TR]d gibt ein Verhältnis der Konzentration von Sauerstoff [H₂]d zu der Konzentration der gesamten Reduktionsbestandteile [TR]d an dem Einlass des NOx Falle-Katalysators 8 an.
Zusätzlich zu der Steuerung, definiert durch die Gaszusammensetzungen der oben genannten Gleichungen (1) und (2), wird bei dem Verhältnis [H₂/TR]d der Konzentration des Wasserstoffs zu der Konzentration der gesamten Reduktionsbestandteile an dem Einlass des NOx Fallen-Katalysators während der NOx Abgabe/Reinigung, ein Verhältnis der Konzentration an Sauerstoff [H₂]d zu der Konzentration des Kohlenstoffmonoxids [CO]d in allen Reduktionsbestandteilen [TR]d gesteuert, um [H₂/CO]d > 1 zu betragen. Daher können die Wirkungen der anderen Reduktionsbestandteile, insbesondere CO, welche die Reaktion zwischen Wasserstoff und NOx bedrohen, reduziert werden, um die Reaktivität zwischen Wasserstoff mit einer hohen Reduktionskraft und dem NOx beträchtlich zu erhöhen und die NOx Reinigungswirksamkeit kann weiter verbessert werden.
Im Folgenden werden die Bedingungen zur Einstellung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (A/F)r während der Anreicherung und einem Zeitraum der Anreicherung (tr) beschrieben.
Wie oben beschrieben, wird der Wasserstoff-Katalysator 7 an der stromaufwärts gelegenen Seite des NOx Falle-Katalysators 8 angeordnet, und CO oder HC wird stark von dem Wasserstoff-Katalysator 7 reduziert, um die Konzentration an Wasserstoff zu erhöhen, wodurch die Leistung der NOx Reinigung dramatisch verbessert werden kann, auch in dem Niedertemperaturbereich. Die reduzierte Abgas-Durchflussrate führt jedoch zu einer Reduktion der Wirksamkeit der NOx Reinigung. Dies wird der Tatsache zugeschrieben, dass unter der Bedingung einer niedrigen Gasflussrate oder Durchflussgeschwindigkeit nicht nur CO sondern auch H₂ durch den Wasserstoff-Katalysator 7 reduziert wird.
Wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)r während der Anreicherung und dem Zeitraum der Anreicherung (tr) festgelegt sind, werden die Mengen an CO und Wasserstoff, welche dem Wasserstoff-Katalysator 7 zugeführt werden, mehr reduziert, als die Gasflussrate oder die Durchflussgeschwindigkeit verringert wird. Da auf der anderen Seite das Volumen des Wasserstoff-Katalysators 7 nicht in bezug auf die Gasdurchflussrate und die Durchflussgeschwindigkeit verändert wird, wird das Reaktionsvermögen zwischen CO und Wasserstoff, welches durch die Anreicherung erzeugt wird, und dem Wasserstoff-Katalysator mehr erhöht als die Gasdurchflussrate verringert wird. Als ein Resultat wird nicht nur CO, sondern auch Wasserstoff reduziert und daher wird die Wirksamkeit der reinigung von NOx in dem Niedertemperaturbereich verringert.
Wie oben beschrieben, besteht der Mechanismus des Wasserstoff-Katalysators aus einer oder mehreren möglichen Kombinationen von (a) die Reaktion zur selektiven Entfernung von CO durch Oxidation und dem Unterdrücken (Übertragen) des Verbrauchs von Wasserstoff; (b) die Reaktion zur Adsorption von CO, um Wasserstoff zu übertragen, und (c) die Reaktion, um CO mit H₂O zu reagieren, um Wasserstoff zu erzeugen.
In der Reaktion (a) wird das CO selektiv durch Edelmetall adsorbiert und anschließend mit einem Oberflächensauerstoff oder Speicherungssauerstoff von CeO₂ reagiert, welches in der Nähe vorhanden ist, um durch Oxidation entfernt zu werden, und wird dadurch reduziert. Wird die Gasdurchflussrate verringert, wird die Menge an CO, welche dem Wasserstoff-Katalysator 7 zugeführt wird, reduziert, während das Reaktionsvermögen zwischen CO und dem Sauerstoff auf einer Oberfläche oder dem Speichersauerstoff erhöht wird. Wird die Menge an CO größer als die des Oberflächensauerstoffs oder des Speichersauerstoffs, wird das CO wirkungsvoll reduziert. Ist die Menge an CO geringer als die des Oberflächensauerstoffs oder des Speichersauerstoffs, wird Wasserstoff auch zusätzlich zu dem CO reduziert. Demzufolge werden die Mengen an CO und Wasserstoff erhöht, um die Reduktion von Wasserstoff zu unterdrücken. In anderen Worten, es ist notwendig, die Mengen an CO und Wasserstoff in dem Verbrennungsgas (Abgas) zu erhöhen, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)r während der Anreicherung zu verringern, und durch Verlängerung des Zeitraumes der Anreicherung (tr).
Zusätzlich wird in der Reaktion (b), CO auf dem Metall und dem Metalloxid adsorbiert. Verringert sich die Gaszuflussrate, wird die dem Wasserstoff-Katalysator zugeführte Menge an CO reduziert, während die Menge an CO, welches auf dem Metall und dem Metalloxid adsorbiert wird, erhöht. Ist die Menge an adsorbierten CO größer als die des Metalls oder des Metalloxids, auf welchem das CO adsorbiert wird, wird CO wirksam reduziert. Ist die Menge des adsorbierten CO jedoch geringer als die des Metalls oder des Metalloxids, auf welchem das CO adsorbiert wird, wird das Wasserstoff zusätzlich zu dem CO adsorbiert. Demzufolge, um die Reduktion des Wasserstoffs zu unterdrücken, werden die Mengen an CO und Wasserstoff erhöht. In anderen Worten, ist es ähnlich wie in dem oben genannten Fall notwendig, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)r während der Anreicherung zu verringern und den Zeitraum der Anreicherung (tr) zu verlängern.
Das heißt, bei dem Abgas-Reinigungssystem gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wird, auch wenn die Abgas-Durchflussrate (SV) verringert wird, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)r während der Anreicherung und dem Zeitraum der Anrei cherung (tr) gesteuert, um die Bedingungen zu erfüllen, wenn das erzeugte Wasserstoff nicht oxidiert wird, bevor es den NOx Reinigungskatalysator an der stromabwärts gelegenen Seite erreicht.
Die Steuerung der oben genannten Anreicherungsbedingungen wird insbesondere durch einen Steuerkreis ausgeführt, welcher mit der Steuerungseinheit 11 versehen ist oder durch ein CPU in der Steuereinheit und durch Programme betrieben wird.
2 zeigt ein Flussdiagramm, welches ein Steuerungsverfahren der Anreicherungsbedingungen zeigt, welche durch solch eine Steuerungseinheit durchgeführt wird. Das heißt, zunächst wird in Schritt 101 die Menge der in die Verbrennungskraftmaschine 1 angesaugten Luft durch den Luftdurchflussmesser 6 gemessen und der gemessene Wert wird von der Steuereinheit 11 ermittelt. Eine Abgas-Durchflussrate wird aus einem Wert der Menge an angesaugter Luft und einem Wert der Menge an Kraftstoff-Einspritzung bestimmt.
Anschließend wird in Schritt 102 eine Temperatur an dem Einlass des Wasserstoff-Katalysators 7 durch den Thermosensor 9 gemessen, und der gemessene Wert wird von der Steuereinheit ermittelt. Wenn eine Temperatur des Wasserstoff-Katalysators 7 durch eine Abgastemperatur ermittelt wird, entspricht der ermittelte Wert der Temperatur (T) des Wasserstoff-Katalysators 7. Die Schritte 101 und 102 können in umgedrehter Reihenfolge oder gleichzeitig ausgeführt werden. In Schritt 103 wird bestimmt, ob die Temperatur (T) 300°C entspricht oder niedriger ist oder nicht. Wenn die Temperatur 300°C entspricht oder niedriger ist, wird die Steuerung gemäß der Ausführungsform durchgeführt. Überschreitet die Temperatur T 300°C, ist es nicht notwendig, die Steuerung der Ausführungsform zuzufügen, und ein herkömmliches Steuerungsverfahren kann verwendet werden.
In Schritt 104 werden die Speicherwerte, die in der Kontrolleinheit 11 gespeichert sind, aus den Speicherwerten (i) bis (iv) gelesen:

(i) Speicherwert, welcher die Beziehung angibt, zwischen der Menge an angesaugter Luft (A) und der Menge an CO (a) adsorbiert von dem Wasserstoff-Katalysator, welcher in 3 dargestellt ist;
(ii) Speicherwert, welcher die Beziehung angibt, zwischen einer Katalysator-Temperatur (T) und der Menge an CO (a), welche von dem in 4 dargestellten Wasserstoff-Katalysator adsorbiert wird;
(iii) Speicherwert, welcher die Beziehung angibt, zwischen der Menge an angesaugter Luft (A) und der Menge an CO (a), welche von dem in 5 dargestellten Wasserstoff-Katalysator reagiert wurde; und
(iv) Speicherwert, welcher die Beziehung angibt, zwischen der Katalysator-Temperatur (T) und der Menge an CO (a) reagiert von dem Wasserstoff-Katalysator.

In Schritt 105, werden aus den gelesenen Speicherwerten, die entsprechenden Mengen an reagierten CO und adsorbierten CO gelesen, basierend auf der ermittelten Menge an angesaugter Luft (A) und der ermittelten Katalysator-Temperatur (T) und die Menge an CO-Verbrauch wird basierend auf den gelesenen Mengen an reagierten CO und adsorbierten CO geschätzt. Die geschätzte Menge an CO-Verbrauch wird durch eine Summe dargestellt, z. B. von den Mengen an reagierten CO und adsorbierten CO.
Anschließend werden in Schritt 106 die in der Steuerungseinheit 11 gespeicherten Speicherwerte gelesen: (v) die Speicherwerte, welche die Beziehung zwischen der Menge an CO-Verbrauch (c) und der entsprechenden optimalen Menge an Kraftstoff-Einspritzung (v) angeben, dargestellt in 7, und (vi) der Speicherwert, welcher die Beziehung zwischen der Menge an CO-Verbrauch (c) und der optimalen Dauer der Kraftstoff-Einspritzung (t) angeben, dargestellt in 8.
Nachfolgend werden in Schritt 107 die optimale Menge an Kraftstoff-Einspritzung und die optimale Dauer der Kraftstoff-Einspritzung in Bezug auf die Menge des CO-Verbrauchs bestimmt, ermittelt aus den Speicherwerten, die in dem vorangehenden Schritt gelesen wurden. Durch die Steuerung der Menge der Kraftstoff-Einspritzung, wird die Kontrolle eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (A/F)r während der Anreicherung durchgeführt. Durch die Steuerung der Dauer der Kraftstoff-Einspritzung, wird eine Steuerung der Dauer der Anreicherung (tr) durchgeführt. Folglich, werden das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)r während der Anreicherung und die Dauer der Anreicherung (tr) vorzugsweise gesteuert, um die folgende bedingte Gleichung (3) in einem Zustand zu erfüllen, in dem die Abgas-Durchflussgeschwindigkeit einer Raumgeschwindigkeit von 28.000 h^–1 entspricht oder geringer ist als diese: 0,18 (sec) < Ir (3)Hier, Ir = tr × 1/(A/F)r
In dem Fall, dass die Gleichung (3) erfüllt wird, ist es möglich, die durch den Wasserstoff-Katalysator fließende Menge an Wasserstoff in dem Abgas beizubehalten oder zu erhöhen. Demzufolge, auch wenn die Abgas-Durchflussgeschwindigkeit gering ist, kann die Menge an Wasserstoff, welche zur NOx Reinigung notwendig ist, konstant von dem Wasserstoff-Katalysator 7 zu dem NOx Reinigungskatalysator 8 zugeführt werden, wodurch eine hohe NOx Reinigungswirksamkeit erzielt werden kann.
Besonders bevorzugt wird die Steuerung durchgeführt, um die folgende konditionelle Gleichung (4) zu erfüllen: 0,18 (sec) < Ir < 0,4 (4)
In dem Fall, dass die Gleichung (4) erfüllt wird, ermöglicht ein Durchgang durch den Wasserstoff-Katalysator eine Erhöhung der Menge des Wasserstoffs in dem Abgas, und eine sichere Reduktion der Menge an CO, wodurch ein Verhältnis von Wasserstoff in dem Abgas stark erhöht werden kann. Daher ist es möglich, eine höhere NOx Reinigungswirksamkeit zu erzielen, auch wenn die Abgas-Durchflussgeschwindigkeit verringert wird.
BEISPIELE
Im Folgenden werden Beispiele des Abgas-Reinigungssystems der vorliegenden Erfindung und ein Vergleichsbeispiel spezifisch beschrieben.
Abgas-Reinigungssystem
Die Systeme der Beispiele und des Vergleichsbeispiels sind das in 1 dargestellte System, wobei ein Katalysator, welcher CeO₂, Aluminiumoxid und Pt enthält, mit einer Sauerstoffspeicherungswirkung und einer CO Adsorptionsfähigkeit, als ein Wasserstoff-Katalysator verwendet wird. Als ein NOx Katalysator wurde ein NOx Falle-Katalysator enthaltend Pt, Rh Aluminiumoxid und ein NOx Adsorptionsmittel, d. h. Ba, verwendet. Der Wasserstoff-Katalysator und der NOx Katalysator wurden jeweils durch die folgenden Verfahren hergestellt.
1) Herstellungsverfahren des Wasserstoff-Katalysators
Ein Ceroxid wurde mit einer wässrigen Dinitrodiamino-Platinlösung getränkt, getrocknet und anschließend bei 400°C für 1 Stunde kalziniert, um Pt/CeO₂-Pulver zu erhalten. Dieses Pulver, γ-Aluminiumoxid und Aluminiumoxidsol wurden in eine Kugelmühle mit einem Gewichtsverhältnis von 100 : 40 : 10 eingeführt, in der Kugelmühle mit Wasser gemischt und zermahlen, um eine Aufschlämmung zu erhalten. Die Aufschlämmung wurde auf ein monolithisches Träger-Basismaterial mit 2 Mils und 900 Zellen (139,5 Zellen/cm², Wanddicke 0,0051 cm) aufgebracht und bei 400°C ungefähr 1 Stunde kalziniert. Die Menge des getragenen Pt betrug 2,12 g/l (Wabenkörpervolumen). Ein Gehalt an CeO₂ betrug 105 g/l.
2) Herstellungsverfahren des NOx Katalysators
Aktives Aluminiumoxid wurde mit einer Dinitrodiamin-Platinlösung getränkt, getrocknet und anschließend in Luft bei 400°C für 1 Stunde kalziniert, um ein Pt tragendes Aluminiumoxidpulver zu erhalten (Pulver A). Die Pt-Konzentration des Pulvers betrug 3,0%. Anschließend wurde aktives Aluminiumoxidpulver mit einer wässrigen Nitrat-Rh-Lösung getränkt, getrocknet und anschließend in Luft bei 400°C für 1 Stunde kalziniert, um ein Rh tragendes Aluminiumoxidpulver zu erhalten (Pulver b). Die Rh-Konzentration des Pulvers betrug 2,0%.
Das 576 g des Pulvers A, 86 g des Pulvers B, 238 g des aktiven Aluminiumoxidpulvers und 900 g Wasser wurden in eine magnetische Kugelmühle eingefüllt, gemischt und zermahlen, um eine Aufschlämmung zu erhalten. Die Aufschlämmung wurde auf ein monolithisches Cordierit-Substrat aufgebracht (Volumen: 1,7 l) mit 400 Zellen (62 Zellen/cm²), bei 130°C getrocknet, nachdem ein Überschuss an Aufschlämmung in den Zellen durch einen Luftfluss entfernt wurde und anschließend bei 400°C für 1 Stunde kalziniert, um einen Katalysator zu erhalten mit einer Beschichtung von 200 g/l. Dieser Katalysator wurde mit einer wässrigen Ba-Lösung getränkt, getrocknet und anschließend bei 400°C in Luft für 1 Stunde kalziniert, um einen Katalysator mit einer Beschichtung von 250 g/l zu erhalten.
Steuerungsverfahren des Abgas-Reinigungssystems
Vergleichsbeispiel
Bei dem Abgas-Reinigungssystem des Vergleichsbeispiels zur periodischen Einstellung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von einem mageren Zustand zu einem reichen Zustand unter den gleichen Bedingungen zur Anreicherung, wurde ein Betrieb des Reinigens des Abgases durchgeführt unabhängig von Änderungen einer Abgas-Durchflussgeschwindigkeit.
Zwischen dem Fall einer schnellen Abgas-Durchflussgeschwindigkeit (Flussrate), d. h. dem Fall einer in den Wasserstoff-Katalysator 7 gesendeten Abgas-Durchflussgeschwindigkeit SV = 45.000 h^–1 und der Fall einer langsamen Gas-Durchflussrate SV, d. h. der Fall von SV = 28.000 h^–1, wurde ein Vergleich durchgeführt, in Bezug auf ein Abgasbestandteil, welcher in den Wasserstoff-Katalysator fließt, und einen Abgasbestandteil, welcher aus dem Wasserstoff-Katalysator fließt. Die Bedingungen für die Anreicherung des Vergleichsbeispiels waren wie folgt:
Luft-Kraftstoff-Verhältnis während der Anreicherung: (A/F)r = 11,
Dauer der Anreicherung: (tr) = 2 [sec],
Ir(t – F/A) = 0,18
Ein Resultat ist in einer Kurve in 9 dargestellt. In der Kurve sind die Konzentrationen von Wasserstoff und CO in dem Abgas nach dem Durchgang durch den Wasserstoff-Katalysator 7 dargestellt, wobei die Werte den Konzentrationen des Wasserstoffs und CO's vor dem Durchgang durch den Wasserstoff-Katalysator relativ entsprechen.
Aus 9 wird deutlich, dass in dem Fall einer schnellen Gas-Durchflussgeschwindigkeit CO in Bezug auf Wasserstoff deutlich reduziert wird. Auf der anderen Seite, sind in dem Fall einer langsamen Gas-Durchflussgeschwindigkeit die Konzentrationen an CO und Wasserstoff beide Null, was zeigt, dass nicht nur CO sondern auch Wasserstoff reduziert wird.
Beispiele 1 bis 3
In dem Abgas-Reinigungssystem von jedem der Beispiele 1 bis 3 zur periodischen Einstellung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses von einem mageren Zustand zu einem fetten Zustand, wurden die Bedingungen zur Anreicherung in dem Fall einer langsamen Abgas-Durchflussgeschwindigkeit (SV = 28.000 h^–1) wie folgt eingestellt:
Beispiel 1

Luft-Kraftstoff-Verhältnis während der Anreicherung: (A/F)r = 11,
Dauer der Anreicherung: (tr) = 4 [sec],
Ir(t – F/A) = 0,36 [sec]

Beispiel 2

Luft-Kraftstoff-Verhältnis während der Anreicherung: (A/F)r = 10,
Dauer der Anreicherung: (tr) = 2 [sec],
Ir(t – F/A) = 0,2 [sec]
Luft-Kraftstoff-Verhältnis während der Anreicherung: (A/F)r = 10,
Dauer der Anreicherung: (tr) = 4 [sec],
Ir(t – F/A) = 0,4 [sec]

Die Ergebnisse sind in 10 dargestellt. 10 zeigt die Abgasbestandteile nach dem Ausfluss aus dem Wasserstoff-Katalysator in dem Fall einer langsamen Gas-Durchflussgeschwindigkeit (SV = 28.000 h^–1). Zusätzlich sind die Werte der Abgasbestandteile vor dem Fluss in dem Wasserstoff-Katalysator und die Daten des Vergleichsbeispiels in der Kurve aus 10 dargestellt. Die Werte der jeweiligen Bestandteile sind als Werte relativ zu den Konzentrationen von Wasserstoff und CO vor dem Durchfluss durch den Wasserstoff-Katalysator dargestellt.
Aus 10 wird deutlich, im Unterschied zu dem Vergleichsbeispiel, dass in Beispiel 1 mit längerer Dauer der Anfettung (tr) ausreichend Wasserstoff vorhanden war, wodurch bestätigt wurde, dass mehr CO im Vergleich mit Wasserstoff reduziert wurde. Anders als bei dem Vergleichsbeispiel war bei dem Beispiel 2 mit kleinerem Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)r während der Anfettung, ausreichend Wasserstoff, wodurch bestätigt wurde, dass CO stark reduziert wurde im Vergleich mit Wasserstoff. Des Weiteren war anders als bei dem Vergleichsbeispiel in dem Beispiel 3 mit kleinerem Luft-Kraftstoff- Verhältnis (A/F)r während der Anfettung und dem längeren Zeitraum der Anfettung (tr), ausreichend Wasserstoff. CO wurde jedoch nicht so deutlich reduziert. Die unzureichende Reaktion des CO's kann der Tatsache zugeschrieben werden, dass die Menge an CO, die durch die Anfettung erzeugt wurde, größer war als die Menge des Oberflächen-Sauerstoffs oder die Menge des Speicher-Sauerstoffs, vorhanden in dem Wasserstoff-Katalysator 7, oder die Menge des adsorbierten CO's.
Zusätzlich zeigt Tabelle 1 die Wirksamkeit der NOx Reinigung eines NOx Reinigungs-Katalysators 8, welcher stromabwärts von dem Wasserstoff-Katalysator 7 in jedem der Beispiele und dem Vergleichsbeispiel angeordnet war, wobei das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F)r während der Anfettung und der Dauer der Anfettung (tr) verschieden eingestellt werden. Es wurde bestätigt, dass nach dem Durchgang durch den Wasserstoff-Katalysator 7, d. h. in dem Fall mit einem hohen Wasserstoff-Verhältnis an dem Einlasse des NOx Reinigungskatalysators 8, die Stickstoffoxide sehr wirksam gereinigt wurden.
Tabelle 1
Wie oben beschrieben, besteht das Abgas-Reinigungssystem der vorliegenden Erfindung hauptsächlich aus dem Wasserstoff-Katalysator, dem NOx Reinigungskatalysator, welcher an der stromabwärts gelegenen Seite des Auslasskanals angeordnet ist, und der Katalysator-Steuerungseinheit und die Katalysator-Steuerungseinheit führt die Steuerung aus, um eine Anfettungstiefe und/oder die Dauer der Anfettung zu erhöhen, wenn die Abgas-Durchflussgeschwindigkeit verringert wird. Daher ist die vorliegende Erfindung sehr vorteilhaft, auch wenn die Abgas-Durchflussgeschwindigkeit (SV) verringert wird, ist es möglich, konstant die Menge an Wasserstoff zu dem NOx Reinigungskatalysator zuzuführen, welche zur NOx Reinigung notwendig ist, in einer nachfolgenden Stufe, und auch wenn eine Schwankung in der Abgas-Durchflussgeschwindigkeit auftritt, ist es möglich, die Stickstoffoxide auch in dem Niedertemperaturbereich effizient zu reinigen, ohne durch die Schwankung beeinflusst zu werden. Es wird auf die Inhalte der japanischen Patentanmeldungen P2002-040950 (angemeldet am 19. Februar 2002) und P2003-27970 (angemeldet am 5. Februar 2003) Bezug genommen.
Obwohl die Erfindung in bezug auf bestimmte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Modifikationen und Änderungen der oben beschriebenen Ausführungsformen werden Fachleuten auf diesem Gebiet im Hinblick auf die obige Lehre deutlich. Der Umfang der Erfindung wird in bezug auf die folgenden Ansprüche definiert.

Claims

Abgasreinigungssystem, umfassend: Verbrennungskraftmaschine (1); einen Auslasskanal für Abgas aus der Verbrennungskraftmaschine (1); einen Wasserstoff-Katalysator (7) bereitgestellt in dem Auslasskanal, um wenigstens eine der folgenden Reaktionen (a) bis (c) durchzuführen, (a) die Reaktion zur selektiven Entfernung von CO durch Oxidation und zur Unterdrücken des Verbrauchs von Wasserstoff, (b) die Reaktion zur Adsorption von CO und Übertragung von Wasserstoff und (c) die Reaktion des Reagierens von CO mit H₂O, um Wasserstoff zu erzeugen; einen NOx Reinigungskatalysator (8) bereitgestellt stromabwärts des Wasserstoff-Katalysators (7) in dem Auslasskanal, um die Stickstoffoxide zu reduzieren; und eine Steuerungseinheit (11) zur Steuerung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses einer Gasmischung aus Kraftstoff und Luft, bereitgestellt für die Verbrennungskraftmaschine (1), welche eine Steuerung der Anreicherungs- bzw. Anfettungsbedingung zur Reduzierung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (A/F)r während der Anreicherung bzw. Anfettung durchführt, um einen Zeitraum der Anreicherung bzw. Anfettung (tr) zu verlängern, wenn eine Durchflussgeschwindigkeit des Abgases, welches von der Verbrennungskraftmaschine (1) abgegeben wird, bei der zeitweisen Anreicherung bzw. Anfettung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses verringert wird.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 1, wobei der Wasserstoff-Katalysator (7) Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoff durch Oxidation in einem abmagerten Zustand eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses entfernt wird, und selektiv Kohlenstoffmonoxid in einem fetten Zustand entfernt; und Wasserstoff erzeugt oder überträgt.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der NOx Reinigungskatalysator (8) NOx festsetzt, wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf der abmageren Seite befindet, und NOx reduziert, wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnisses auf einer fetten Seite befindet.
Abgasreinigungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Wasserstoff-Katalysator (7) Cerdioxid und Edelmetall enthält, aus wenigstens einem oder mehreren gewählt aus der Gruppe bestehend aus Pt, Pd und Rh.
Abgasreinigungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Wasserstoff-Katalysator (7) enthält: Cerdioxid, Aluminiumoxid und Edelmetall aus wenigstens einem oder mehreren gewählt aus der Gruppe bestehend aus Pt, Pd und Rh.
Abgasreinigungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der NOx Reinigungskatalysator (8) enthält: Alkalimetall oder Erdalkalimetall, und Edelmetall aus wenigstens einem oder mehreren gewählt aus der Gruppe bestehend aus Pt, Pd und Rh.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 1, wobei der Wasserstoff-Katalysator (7) Cerdioxid und Edelmetall aus wenigstens einem oder mehreren, gewählt aus der Gruppe bestehend aus Pt, Pd und Rh, enthält; und der NOx-Reinigungskatalysator (8) Alkalimetall oder Erdalkalimetall und Edelmetall aus wenigstens einem oder mehreren gewählt aus der Gruppe bestehend aus Pt, Pd und Rh, enthält.
Abgasreinigungssystem nach Anspruch 7, wobei der Wasserstoff-Katalysator (7) des weiteren Aluminiumoxid enthält.
Abgasreinigungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (A/F)r während der Anreicherung bzw. Anfettung und dem Zeitraum der Anreicherung (tr) die Bedingung der folgenden Gleichung erfüllt, in einem Zustand, in dem die Abgasdurchflussgeschwindigkeit 28.000 h^–1 einer Raumgeschwindigkeit in dem Katalysator entspricht oder geringer ist als diese: 0,18 (s) < Irwobei, Ir = tr × 1/(A/F)r (A/F)r: Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (A/F) während der Anreicherung bzw. Anfettung tr: Zeitraum der Anreicherung bzw. Anfettung (s)
Abgasreinigungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Steuerungseinheit (11) die Steuerung der Anreicherungs- bzw. Anfettungsbedingung bei der Anreicherung bzw. Anfettung durchführt, wenn eine Temperatur des Wasserstoff-Katalysators (7) 300°C entspricht oder geringer ist als diese.
Abgasreinigungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, des weiteren umfassend einen Durchflussmesser (6), welcher eine Menge der in die Verbrennungskraftmaschine eingesaugten Luft misst, ein Ventil (4), welches eine Menge des in die Verbrennungskraftmaschine eingespritzten Kraftstoffes einstellt, und einen Temperatursensor (9), welcher eine Temperatur des in den Wasserstoff-Katalysator (7) fließenden Abgases misst, wobei die Steuerungseinheit (11) mit einem Programm zur Durchführung des folgenden Verfahrens ausgestattet ist. (a) Ermitteln der Menge der in die Verbrennungskraftmaschine (1) eingesaugten Luft durch den Durchflussmesser (6); (b) Ermitteln der Temperatur des Abgases, welches in den Wasserstoff-Katalysator (7) fließt, durch den Temperatursensor (9); (c) Vorausberechnen der Menge des CO-Verbrauchs in dem Wasserstoff-Katalysator (7) basierend auf der ermittelten Menge der eingesaugten Luft und der ermittelten Abgastemperatur; und (d) Einstellen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (A/F)r während der Anreicherung bzw. Anfettung und einem Zeitraum der Anreicherung bzw. Anfettung (tr) gemäß der vorausberechneten Menge des CO-Verbrauchs.
Steuerungsverfahren für ein Abgasreinigungssystem mit einer Verbrennungskraftmaschine (1), einem Auslasskanal für Abgas aus der Verbrennungskraftmaschine (1), einem Wasserstoff-Katalysator (7) bereitgestellt in dem Auslasskanal, wobei der Wasserstoff-Katalysator (7) wenigstens CeO₂ und Edelmetall enthält, und einem NOx-Reinigungskatalysator (8) bereitgestellt stromabwärts des Wasserstoff-Katalysators (7) in dem Auslasskanal, um die Stickstoffoxide zu reduzieren, umfassend folgende Schritte: (a) Ermitteln der Luftmenge, welche in die Verbrennungskraftmaschine (1) gesaugt wird; (b) Ermitteln einer Temperatur des Abgases, welches in den Wasserstoff-Katalysator (7) fließt; (c) Lesen von vorgespeicherten ersten bis vierten Speicherwerten (data maps), wobei der erste Speicherwert eine Beziehung zwischen der Menge der angesaugten Luft und der Menge des adsorbierten CO's in dem Wasserstoff-Katalysator (7) angibt, der zweite Speicherwert eine Beziehung zwischen der Abgastemperatur und der Menge an adsorbiertem CO in dem Wasserstoff-Katalysator (7) angibt, der dritte Speicherwert eine Beziehung zwischen der Menge an angesaugter Luft und der Menge an reagiertem CO in dem Wasserstoff-Katalysator (7) angibt, und der vierte Speicherwert eine Beziehung zwischen der Abgastemperatur und der Menge an reagiertem CO in dem Wasserstoff-Katalysator (7) angibt; (d) Lesen einer Menge an adsorbiertem CO und der Menge des in dem Wasserstoff-Katalysator (7) reagierten CO basierend auf der ermittelten Menge der angesaugten Luft und der ermittelten Abgastemperatur unter Bezugnahme auf die ersten bis vierten Speicherwerte, und Vorausberechnen der Menge des CO-Verbrauchs in dem Wasserstoff-Katalysator (7) aus der Menge an adsorbiertem CO und der Menge an reagiertem CO; (e) Lesen von eingespeicherten fünften und sechsten Speicherwerten, wobei die fünften Speicherwerte eine Beziehung zwischen der Menge des CO-Verbrauchs und einer optimalen Menge der Kraftstoffeinspritzung in Bezug auf die Menge des CO-Verbrauchs bereitstellt, und der sechste Speicherwert die Menge des CO-Verbrauchs und einer optimalen Dauer der Kraftstoffeinspritzung in Bezug auf die Menge des CO-Verbrauchs angibt; und (f) Bestimmen der optimalen Menge der Kraftstoffeinspritzung und eines optimalen Zeitraums der Kraftstoffeinspritzbedingungen basierend auf der vorhergesagten Menge an CO-Verbrauch unter Bezugnahme auf die fünften und sechsten Speicherwerte.
Steuerungsverfahren nach Anspruch 12, wobei ein Luft-Kraftstoff-Verhältniss (A/F)r und ein Zeitraum der Anreicherung bzw. Anfettung (tr), ermittelt durch die optimale Menge der Kraftstoffeinspritzung und dem optimalen Zeitraum der Kraftstoffeinspritzung die folgenden Bedingungen der Gleichung (1) in einem Zustand erfüllen, in dem eine Abgasdurchflussgeschwindigkeit, welche aus der Menge der angesaugten Luft erhalten wird, 28.000 h^–1 einer Raumgeschwindigkeit in dem Katalysator entspricht oder geringer ist als diese: 0,18 (s) < Ir (I)wobei Ir = tr × 1/(A/F)r (A/F)r: Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (A/F) während der Anreicherung bzw. Anfettung tr: Zeitraum der Anreicherung bzw. Anfettung (s)
Steuerungsverfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Schritte (c) bis (f) nur ausgeführt werden, wenn eine Temperatur des Wasserstoff-Katalysators (7) 300°C entspricht oder geringer ist als diese, nach der Erfassung der Temperatur des Abgases, welches in den Wasserstoff-Katalysator (7) fließt.