DE10061287B4

DE10061287B4 - Abgasemissionssteuerungssystem einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10061287B4
Application number: DE10061287A
Authority: DE
Inventors: Hideo Toyota Yahagi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-12-10
Filing date: 2000-12-08
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2020-12-09
Also published as: JP3692928B2; US7186387B2; JP2001227334A; US20010003245A1; DE10061287A1

Abstract

Abgasemissionssteuerungssystem einer Brennkraftmaschine, mit:
A) einer Brennkraftmaschine; und
B) einem Abgasreinigungskatalysator (17), der in einem Abgaskanal (16, 19) der Brennkraftmaschine angeordnet ist,
wobei das Emissionssteuerungssystem ferner aufweist:
a) einen Hüllkörper (18), der mit einem Abgaseinlass und einem Abgasauslass ausgebildet ist;
b) einem Katalysatorträger (51), der in den Hüllkörper (18) eingebaut ist; und
c) einer katalytischen Substanz, die an dem Katalysatorträger (51) gehalten ist,
wobei ein Teil des Katalysatorträgers (51) des Abgasreinigungskatalysators (17) ein Bereich niedrigen Widerstands (54) ist, der so ausgebildet ist, dass ein Gasströmungswiderstand niedriger ist als in anderen Bereichen, und der an einer solchen Position angeordnet ist, an der eine Strömungsgeschwindigkeit des zu dem Katalysatorträger strömenden Abgases hoch ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Abgasemissionssteuerungssystem einer Brennkraftmaschine.
Stand der Technik
Ein Abgasemissionssteuerungssystem zur Entfernung von NOx aus einem Abgas, das aus einer Brennkraftmaschine abgegeben wird, die eine magere Verbrennung ausführen kann, beinhaltet die Verwendung von beispielsweise einem NOx Absorptionsmittel, das durch einen unter Einschluss reduzierenden NOx Katalysator gekennzeichnet ist. Das NOx Absorptionsmittel absorbiert NOx, wenn ein Luft-Kraftstoffverhältnis eines einströmenden Abgases mager ist (d.h. eine Atmosphäre mit Sauerstoffüberschuss) und gibt absorbiertes NOx ab, wenn eine Sauerstoffkonzentration des zuströmenden Abgases abnimmt. Der unter Einschluss reduzierende NOx Katalysator, der ein Typ dieses NOx Absorptionsmittels ist, absorbiert NOx, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des zuströmenden Abgases mager ist (d.h. in einer Atmosphäre mit Sauerstoffüberschuss) und gibt absorbiertes NOx ab, wenn die Sauerstoffkonzentration des zuströmenden Abgases abnimmt, und reduziert es somit zu N₂.
Wenn der unter Einschluss reduzierende NOx-Katalysatortyp (welcher nachfolgend einfacher Weise als Katalysator oder als ein NOx Katalysator bezeichnet wird) in einem Abgaskanal der Brennkraftmaschine angeordnet ist, die die magere Verbrennung ausführen kann, absorbiert der Katalysator in dem Abgas enthaltenes NOx, wenn Abgas mit einem mageren Luft-Kraftstoffverhältnis strömt, und gibt NOx als NO₂ ab, das durch den Katalysator absorbiert ist, wenn Abgas mit einem stöchiometrischen Verhältnis (theoretisches Luft-Kraftstoffverhältnis) oder einem fetten Luft-Kraftstoffverhältnis fließt. Dieses wird zu N₂ durch eine reduzierende Komponente wie ein HC und CO reduziert, die in dem Abgas enthalten ist, d.h. NOx wird entfernt.
Übrigens muss im allgemeinen eine Temperatur des Katalysators einschließlich dieses Typs von Katalysator in einen vorbestimmten Temperaturbereich angehoben werden, um das Abgas zu reinigen.
Folglich ist es hinsichtlich der wirksamen Reinigung des Abgases wünschenswert, dass die Katalysatortemperatur so schnell wie möglich nach dem Anlassen der Brennkraftmaschine angehoben wird. Wenn das Abgas durch den Katalysator in einem Zustand strömt, in welchem die Katalysatortemperatur nicht erhöht ist, besteht die Möglichkeit, dass das ungereinigte Abgas unverändert in die Umgebungsluft abgegeben wird.
Folglich kann ein Katalysator, der als Startkatalysator bekannt ist, in großer Nähe an dem Abgasanschluss der Brennkraftmaschine vorgesehen werden, um die Emissionen beim Anlassen der Brennkraftmaschine zu beseitigen, wodurch die Temperatur stromaufwärts einer Abgasleitung frühzeitig angehoben wird.
Auch im Fall, dass der Startkatalysator vorgesehen ist, ist es dennoch immer wünschenswert, dass die Katalysatortemperatur den vorbestimmten aktiven Bereich schneller erreicht.
Andererseits ist es in vielen Fällen bei der Konstruktion eines Fahrzeugs schwierig, den sich von der Brennkraftmaschine zu dem Katalysator erstreckenden Abgaskanal geradlinig auszubilden, ohne den Kanal leicht zu krümmen. Eine Abgasströmung kann in Abhängigkeit von der Konfiguration des Abgaskanals ausgelenkt werden, der stromaufwärts des Katalysators angeordnet ist, was zu einem Auftreten von Phänomenen führt, wie dass sich eine Strömungsgeschwindigkeit des in den Katalysator einströmenden Abgases ändert, dass eine Position abweicht, an der das Abgas in den Katalysator eintritt, oder dergleichen.

In Hinblick auf diese Umstände beschreibt beispielsweise die japanische Gebrauchsmusteranmeldungsoffenlegungsschrift JP 01-119 820 U1 ein System, in welchem ein Druckverlust in jedem durch den Katalysatorträger führenden Kanal in der Mitte des Katalysatorträgers reduziert ist und die Abgasströmung in der Mitte zusammenläuft, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit des in jeden Kanal durch den Katalysatorträger fließenden Abgases vergleichmäßigt wird, auch wenn eine Richtung der Geschwindigkeit des Abgases zu einem Außenumfangsabschnitt gerichtet ist.

Als ein Ergebnis der Anwendung verschiedener Untersuchungen haben die Erfinder der vorliegenden Patentanmeldung jedoch gefunden, dass, wenn ein Wärmepunkt oder Wärmefleck geschaffen wird, dessen Temperatur intensiv ansteigt, die dort erzeugte Wärme auf andere Abschnitte übertragen wird, wodurch ein wesentlich früherer Anstieg der Temperatur des gesamten Katalysators erreicht werden kann, als durch Er wärmen des gesamten Katalysators mit einer gleichmäßigen Strömungsgeschwindigkeit des Abgases.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zu schaffen, das gewährleistet, das der Katalysator nach dem Anlassen einer Brennkraftmaschine schnell auf Betriebstemperatur gebracht wird.

Um obige Aufgabe zu lösen, hat gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Abgasemissionssteuerungssystem einer Brennkraftmaschine einen Abgasreinigungskatalysator, der in einem Abgaskanal der Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Das Emissionssteuerungssystem umfasst ferner einen Hüllkörper, der mit einem Abgaseinlass und einem Abgasauslass ausgebildet ist, einen Katalysatorträger, der in den Hüllkörper eingebaut ist, und eine katalytische Substanz, die an dem Katalysatorträger gehalten ist, wobei ein Teil des Katalysatorträgers des Abgasreinigungs- bzw. -säuberungskatalysators ein Bereich niedrigen Widerstands ist, der so ausgebildet ist, dass ein Gasströmungswiderstand niedriger ist als in anderen Bereichen, und der an einer solchen Position angeordnet ist, dass eine Strömungsgeschwindigkeit zu dem Katalysatorträger strömenden Abgases hoch ist.

Der Gasströmungswiderstand nimmt in dem Bereich niedrigen Widerstands, der in dem Katalysatorträger des Abgasreinigungskatalysators vorgesehen ist, ab und folglich kann das Abgas in diesen Bereich leichter strömen, wodurch eine Strömungsgeschwindigkeit des Abgases erhöht werden kann. Daher nimmt eine Abgasströmungsmenge pro vorbestimmter Zeit in dem Bereich niedrigen Widerstands zu und eine Wärmeübertragungsmenge von dem Abgas auf den Katalysator kann in dem Bereich niedrigen Widerstands erhöht werden. Dann wird ein Wärmepunkt oder -fleck in diesem Bereich niedrigen Widerstands erzeugt und erhöht seine Temperatur schneller als in anderen Bereichen, wodurch sich der Wärmefleck als eine latente Flamme erweist und ein Temperaturanstiegsbereich sich im Umfang ausbreitet. Mit dieser Vorgehensweise wird die Temperaturanstiegszeit f des gesamten Katalysators kürzer als in einem Fall, in welchem das Abgas gleichmäßig einströmt.

In diesem Fall ist der Bereich geringen Widerstands an einer solchen Stelle des Katalysatorsträgers ausgebildet, an der eine Strömungsgeschwindigkeit des zu dem Katalysatorträger fließenden Abgases hoch ist. Folglich tritt die Temperaturanstiegswirkung in dem Bereich niedrigen Widerstands schneller auf, wo das Abgas mit einer hohen Geschwindigkeit in den Katalysator strömt, so dass die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit des gesamten Katalysators hoch wird.

Ferner kann ein Abgasströmungsumlenkkanal zum Umlenken einer zu dem Katalysator strömenden Abgasströmung in dem Abgaskanal ausgebildet sein und der Bereich niedrigen Widerstands kann so angeordnet sein, dass er einer Strömung mit der höchsten Geschwindigkeit des Abgases, das von diesem Abgasströmungsumlenkkanal zuströmt, zugewandt ist.

Der Bereich niedrigen Widerstands kann den Gasströmungswiderstand vermindern, indem ein Einstich- oder Kerbabschnitt in dem Katalysatorträger gebildet ist. Ein Abstand von einer Einlassseite des Abgases zu einer Auslassseite ist an einem Teil des Katalysatorträgers verkürzt, in dem der obige Einstichabschnitt ausgebildet ist, wodurch der Gasströmungswiderstand in diesem Bereich vermindert ist.

Der Einstichabschnitt kann in einer stromaufwärtsseitigen Endfläche des Katalysatorträgers ausgebildet sein. Es ist passend, wenn eine Tiefe des Einstichabschnitts etwa 1/10 – 2/10 der Gesamtlänge des Katalysators beträgt, sie ist jedoch darauf nicht besonders beschränkt.

Ferner hat der Einstichabschnitt vorzugsweise eine solche Konfiguration, dass ein Querschnittsdurchmesser allmählich in Richtung der stromabwärtigen Seite in Strömungsrichtung des Abgases abnimmt. Mit dieser Anordnung ist ein Aussparungsabschnitt mit einer konischen Form gebildet, wobei das Abgas an der Spitze dieses Konus zusammenläuft und die Temperatur an diesem Abschnitt schneller ansteigt als an anderen Abschnitten.

Ein Abschnitt, der in Strömungsrichtung des Abgases weiter stromabwärts angeordnet ist als der Einstichabschnitt des Katalysatorträgers, d.h. der Bereich geringen Widerstands, kann eine größere Menge katalytischer Substanz tragen (aufweisen) als andere Bereiche.

Somit ist ein hochdichter Trägerbereich gebildet, der eine größere Menge an katalytischer Substanz aufweist als andere Bereiche, wodurch die Verbrennung von HC, das in dem Abgas enthalten ist, in dem Bereich beschleunigt ist und die Temperatur deutlich schneller ansteigt. Folglich wird die Funktion als latente Flamme wirksamer.

Der Einstichabschnitt kann in der stromabwärtsseitigen Endfläche des Katalysatorträgers ausgebildet sein.

Ein Bereich, der in Strömungsrichtung des Abgases weiter stromaufwärts angeordnet ist als der Einstichabschnitt des Katalysatorträgers, kann eine größere Menge an katalytischer Substanz aufweisen als andere Bereiche.

Für den Abgasreinigungs- bzw. -säuberungskatalysator kann beispielsweise Aluminiumoxid als der Katalysatorträger verwendet werden.

Ferner kann die katalytische Substanz, die an einem solchen Katalysatorträger gehalten ist, beispielsweise Alkalimetalle, wie Kalium K, Natrium Na, Lithium Li und Cäsium Cs, Erdalkalimetalle, wie Barium Ba, Calcium Ca, und seltene Erden, wie Lanthan La und Yttrium Y, sowie Edelmetalle, wie Platin Pt, Palladium Pd, Rhodium Rh und Iridium Ir, umfassen.

Es ist anzumerken, dass auch eine Vielzahl von Einstichabschnitten vorgesehen werden kann. Beispielsweise ist die Mehrzahl von Einstichabschnitten in der Abgaseinströmfläche des Katalysators verteilt vorgesehen. In diesem Fall ist es vorteilhaft, dass eine Öffnungsflächengröße für einen Einstichabschnitt kleiner gewählt ist, als in dem Fall, in welchem ein einzelner Einstichabschnitt vorgesehen ist. Mit dieser Vorgehensweise gibt es eine Vielzahl von Abschnitten, wo die Temperatur rasch ansteigt, wodurch die sogenannten latenten Flammen an mehreren Stellen auftreten und sich die Erwärmung insgesamt schnell verteilt.

Der gleiche Effekt wird ferner auch erreicht, wenn ein ringförmiger Einstichabschnitt in der Endfläche des Katalysators ausgebildet ist.

Ferner kann ein Abgasführungspfad, der in Richtung auf den Einstichabschnitt geneigt ist, den Umfangsbereich des Einstichabschnitts des Katalysatorträgers einschließend ausgebildet sein. In dieser Konfiguration läuft die Strömung des Abgases in der Mitte des Einstichabschnitts zusammen, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases beschleunigt wird. In diesem Fall kann beispielsweise der Einstichabschnitt mit einer Konusform ausgebildet sein.

Es ist vorzuziehen, dass der Abgasreinigungskatalysator gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Position angeordnet wird, die so nahe wie möglich an dem Abgasanschluss der Brennkraftmaschine ist. Beispielsweise ist der Abgasreinigungskatalysator hinter einem Abgaskrümmer angeordnet und die vorliegende Erfindung ist vorzugsweise auf den Aufbau eines Startkatalysators angewandt, der sich in dieser Position befindet.

Es ist anzumerken, dass, wenn der zuvor beschriebene Einstichabschnitt vorgesehen ist, ein Druckverlust des den Katalysator passierenden Abgases abnimmt, und es kann infolge der Verminderung des Gesamtdruckverlustes des Katalysators selbst erwartet werden, dass eine Abgasreinigungsleistung verbessert werden kann.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine Darstellung, die schematisch eine Konfiguration eines Abgasemissionssteuerungssystems einer Brennkraftmaschine gemäss der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine Darstellung, die ein Beispiel eines Kennfelds einer Kraftstoffgrundeinspritzzeit zeigt;
3 ist eine Darstellung, die schematisch Konzentrationen von Sauerstoff, unverbrannten HC und CO zeigt, die in einem Abgas enthalten sind, das von der Brennkraftmaschine abgegeben wird;
4 ist eine Darstellung, die ein Beispiel eines Katalysatorträgers zeigt, der mit einem Einstichabschnitt versehen ist;
5 ist eine Darstellung, die ein anderes Beispiel des Katalysatorträgers zeigt, der mit dem Einstichabschnitt versehen ist;
6 ist eine Darstellung, die ein weiteres Beispiel des Katalysatorträgers zeigt, der mit dem Einstichabschnitt versehen ist;
7 ist ein Diagramm, das ein Testergebnis hinsichtlich der Verbesserung einer Strömungsgeschwindigkeit zeigt, wenn der Einstichabschnitt vorgesehen ist;
8 ist ein Diagramm, das ein Testergebnis hinsichtlich der Verbesserung einer HC Entfernungsrate und einer Aufwärmcharakteristik zeigt, wenn der Einstichabschnitt vorgesehen ist;
9 ist eine Darstellung, die ein Beispiel zeigt, in welchem eine Vielzahl von Einstichabschnitten vorgesehen ist; und
10 ist eine Darstellung, die ein Beispiel zeigt, in welchem der Einstichabschnitt ringförmig ausgebildet ist.
BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Ein Ausführungsbeispiel eines Abgasemissionssteuerungssystems einer Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.
Übersicht über das System
1 ist eine Darstellung, die eine Übersicht der Konstruktion in einem Fall zeigt, in welchem die vorliegende Erfindung auf einen Benzinmotor für ein Fahrzeug angewandt ist, der einen Magerbetrieb ausführen kann (Magermixmotor). In 1 ist ein Motorblock 1, ein Kolben 2, eine Brennkammer 3, eine Zündkerze 4, ein Einlassventil 5, ein Einlasseinschluss 6, ein Auslassventil 7 und ein Abgasanschluss 8 gezeigt.
Der Einlasseinschluss 6 ist über ein entsprechendes Krümmerrohr 9 mit einem Druckausgleichsbehälter 10 verbunden und jedes der Krümmerrohre 9 ist mit einem Kraftstoffeinspritzventil 11 versehen, um Kraftstoff in Richtung in jeden der Einlasseinschlüsse 6 einzuspritzen. Der Druckausgleichsbehälter 10 ist über ein Einlassrohr 12 und einen Luftstrommesser 13 mit einem Luftfilter 14 verbunden und ein Drosselventil 15 ist in dem Einlassrohr 12 angeordnet.
Andererseits ist der Abgasanschluss 8 mit einem als Gehäuse ausgebildeten Hüllkörper 18, der einen Abgasreinigungskatalysator (Dreiwegekatalysator) 17 aufnimmt, der ein sogenannter Startkatalysator ist, durch einen als Auslasskrümmer ausgebildeten Abgaskanal 16 verbunden. Ein Auslass des Gehäuses 18 ist mit einem Gehäuse 21, das einen unter Einschluss reduzierenden NOx-Katalysator 20 einschließt, durch einen Abgaskanal 19 verbunden. Dieses Gehäuse 21 ist über ein Abgasrohr 22 mit einem nicht gezeigten Schalldämpfer verbunden.
Ein Einlass 21a des Gehäuses 21 und ein Abgasrohr 22 sind über ein Bypassrohr (Bypasskanal) 26 verbunden, das den NOx-Katalysator 20 umgeht. Ein Abgasschaltventil (entsprechend einem Abgaswegschaltelement) 28, dessen Ventil durch einen Aktuator 27 betätigt ist, ist an dem Einlass 21a des Gehäuses 21 vorgesehen, an dem das Bypassrohr 26 abzweigt. Dieses Abgasschaltventil 28 wird betätigt, um eine von einer Bypassschließstellung, in der, wie durch eine durchgezogene Linie 1 gezeigt ist, ein Einlass des Bypassrohrs 26 geschlossen ist und der zu dem NOx Katalysator 20 führende Einlass voll geöffnet ist, und einer Bypassfreigabestellung zu wählen, in der, wie mit einer unterbrochenen Linie in 1 gezeigt ist, der zu dem NOx-Katalysator 20 führende Einlass geschlossen ist und der Einlass des Bypassrohrs 26 voll geöffnet ist.
Eine auf einem digitalen Computer basierende elektronische Steuereinheit (ECU) 30 zur Steuerung des Motors umfasst einen ROM (nur Lesespeicher) 32, einen RAM (Leseschreibspeicher) 33, eine CPU (Zentralverarbeitungseinheit) 34, einen Eingabeanschluss 35 und einen Ausgabeanschluss, die miteinander über einen bidirektionalen Bus 31 verbunden sind. Der Luftstrommesser 13 erzeugt eine zu einer Menge von Ansaugluft proportionale Ausgangsspannung und diese Ausgangsspannung wird über einen Analog-Digitalwandler 37 in den Eingabeanschluss 35 eingegeben.
Andererseits ist der Abgaskanal 19 stromabwärts des Dreiwegekatalysators 17 mit einem Temperatursensor 23 ausgerüstet, um eine Ausgangsspannung proportional zu einer Temperatur eines Abgases zu erzeugen, das durch den Dreiwegekatalysator 17 passiert. Eine Ausgangsspannung dieses Temperatursensors 23 wird über den Analog-Digitalwandler 38 in den Eingabeanschluss eingegeben.
Ferner ist ein Drehzahlsensor 41 zur Erzeugung eines Ausgangsimpulses, der die Drehzahl des Motors repräsentiert, mit dem Eingabeanschluss 35 verbunden. Der Ausgabeanschluss 36 ist über entsprechende Treiberschaltkreise 39 jeweils mit der Zündkerze 4, dem Kraftstoffeinspritzventil 11 und dem Aktuator 27 verbunden. In dem so aufgebauten Benzinmotor wird beispielsweise eine Kraftstoffeinspritzzeit TAU auf der Basis der folgenden Gleichung berechnet: TAU = TP·K,wobei TP eine Kraftstoffgrundeinspritzzeit ist und K ein Korrekturkoeffizient ist. Die Kraftstoffgrundeinspritzzeit TP repräsentiert eine Kraftstoffeinspritzzeit, die erforderlich ist, um ein theoretisches Luft-Kraftstoffverhältnis einzustellen, d.h. ein Luft-Kraftstoffverhältnis eines Gasgemischs, das in die Motorzylinder zugeführt wird. Diese Kraftstoffgrundeinspritzzeit TP ist zuvor empirisch bestimmt und vorläufig in dem ROM 32 als eine Funktion einer Motorlast Q/N (Einsaugluftmenge Q/Drehzahl N des Motors) und einer Drehzahl N des Motors in Form eines Kennfelds gespeichert, wie in 2 gezeigt ist. Der Korrekturkoeffizient K ist ein Koeffizient zur Steuerung des Luft-Kraftstoffverhältnisses des in die Motorzylinder zugeführten Gasgemischs. Wenn K = 1,0 ist, hat das in die Motorzylinder zugeführte Gasgemisch das theoretische Luft-Kraftstoffverhältnis. Im Unterschied dazu ist, wenn K < 1,0 ist, das Luft-Kraftstoffverhältnis des in die Motorzylinder zugeführten Gasgemischs größer als das theoretische Luft-Kraftstoffverhältnis, d.h. es ist mager. Wenn K > 1,0 ist, ist das Luft-Kraftstoffverhältnis des in die Motorzylinder zugeführten Gasgemischs kleiner als das theoretische Luft-Kraftstoffverhältnis, d.h. es ist fett.
Bei dem Benzinmotor in diesem Ausführungsbeispiel ist ein Wert für den Korrekturkoeffizienten K in einem niedrigen/mittleren Lastbereich des Motors kleiner als 1,0 gesetzt und es wird eine magere Luft-Kraftstoffverhältnissteuerung ausgeführt. Der Wert für den Korrekturkoeffizienten K wird in einem Motorhochlastbereich gleich 1 gesetzt, wenn ein Warmlaufbetrieb beim Anlassen der Maschine vorliegt, eine Beschleunigung und ein gleichmäßiger Geschwindigkeitsbetrieb über 120 km/h vorliegt und es wird eine stöchiometrische Verhältnissteuerung ausgeführt. In einem Vollastbetriebsbereich des Motors wird der Wert des Korrekturkoeffizienten K größer als 1,0 gesetzt und es wird eine fette Luft-Kraftstoffverhältnissteuerung ausgeführt.
Die Häufigkeit mit einer niedrigen oder mittleren Last betrieben zu werden, ist bei der Brennkraftmaschine am höchsten und folglich ist der Wert des Korrekturkoeffizienten K für einen großen Anteil der Betriebszeitspanne auf kleiner als 1,0 gesetzt, so dass folglich das magere Gasgemisch verbrannt wird.
3 zeigt schematisch Konzentrationen der Hauptkomponenten des Abgases, die aus der Brennkammer 3 abgegeben werden. Wie aus 3 ersehen ist, nehmen die Konzentrationen unverbrannter HC, CO in dem von der Brennkammer 3 abgegebenen Abgas zu, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des in die Brennkammer 3 zugeführten Gasgemischs fetter wird, und die Konzentration von Sauerstoff O₂ in dem Abgas, das von der Brennkammer 3 abgegeben wird, nimmt zu, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des in die Brennkammer 3 zugeführten Gasgemischs magerer wird.
Struktur und Funktion des Katalysators
Die Struktur des Dreiwegekatalysators 17 besteht darin, dass ein als Honigwaben- oder gitterförmiger Wabenkörper ausgebildeter Katalysatorträger 51, der aus Edelstahl der Corguritreihe und Ferritreihe besteht, ein monolytischer Typ ist, wobei der Wabenkörper 51 mit Aluminiumoxid beschichtet ist und eine katalytische Substanz, die katalytische Wirkung hat, auf Aluminiumoxid an dem Wabenkörper 51 befestigt ist. Das Aluminiumoxid trägt ein Edelmetall, wie Platin (Pt) + Rhodium (Rh) bzw. Platin (Pt) + Rhodium (Rh) + Palladium (Pd) als eine katalytische Substanz. Der Drei wegekatalysator 17 reduziert gleichzeitig die drei Komponenten CO, HC und NOx im Abgas durch die folgende Reaktion: (O₂, NOx) + (CO, HC, H₂) → H₂ + H₂O + CO₂
Wie in 4 gezeigt ist, ist der Dreiwegekatalysator 17 so aufgebaut, dass der monolytische Wabenkörper 51 in dem Gehäuse 18 vorgesehen ist, das im Verlauf des Abgasrohrs vorgesehen ist, wobei ein stoßabsorbierendes Material 52 zwischengeordnet ist.
Der Wabenkörper 51 hat einen Einstichabschnitt 50, der in einer Abgaseinströmfläche davon ausgebildet ist. Der Einstichabschnitt 50 befindet sich an einer Position, die gegenüber der Mitte des Wabenkörpers 51 versetzt ist. Der Abgaskanal 16 ist jedoch auf der bezüglich des Wabenkörpers 51 stromaufwärtigen Seite der Abgasströmung gebogen und daher liegt die mit dem Einstichabschnitt 50 ausgebildete Abgaseinströmfläche jener Abgasströmung gegenüber, die die maximale Strömungsgeschwindigkeit hat.
Wenn das Abgasrohr 16 somit stromaufwärts des Dreiwegekatalysators 17 gekrümmt ist, bildet der Abgaskanal 16 einen Abgasströmungsumlenkkanal, der eine umgelenkte Strömung des Abgases hervorruft, das in den Katalysator strömt. In diesem Fall ist, wie in 4 gezeigt ist, die Position des Einstichabschnitts 50, der als Hochgeschwindigkeitseinströmabschnitt dient, versetzt angeordnet, um der umgelenkten Strömung des Abgases aus dem Abgasströmungsumlenkkanal gegenüberzuliegen. Durch diese Vorgehensweise kann die umgelenkte Strömung des Abgases mit der Vorderseite empfangen werden, und es kann eine punktförmige Einströmung des Abgases in den Einstichabschnitten erzeugt werden.
Der Einstichabschnitt 50 hat eine ausgesparte Konfiguration, deren Durchmesser in dem in 4 gezeigten Beispiel gleichmäßig ist. Wie in 5 und 6 gezeigt ist, kann der Einstichabschnitt jedoch eine Konfiguration annehmen, in welcher der Querschnittsdurchmesser allmählich in Richtung der stromabwärtigen Seite des Abgases abnimmt (was nachfolgend als konische Form bezeichnet wird). Der in 5 gezeigte Einstichabschnitt 53 zeigt eine scharfe Änderung seines Durchmessers. Der in 6 gezeigte Einstichabschnitt 53 zeigt eine moderate Änderung seines Durchmessers. Ferner strömt in dem in 5 gezeigten Beispiel das Abgas im wesentlichen geradeaus bis unmittelbar vor dem Wabenkörper 51 und folglich ist die Mitte des Einstichabschnitts 53, die der Abgasströmung gegenüberliegen sollte, die die maximale Strömungsgeschwindigkeit hat, im wesentlichen konzentrisch mit der Mitte des Wabenkörpers 51. Eine Tiefe von jedem der Einstichabschnitte 50, 53 ist hierbei innerhalb eines Bereichs von 1/10 – 2/10 der Gesamtlänge des Katalysatorwabenkörpers 51 festgelegt.
Wenn diese Einstichabschnitte 50, 53 in der einströmseitigen Endfläche des Wabenkörpers 51 vorgesehen sind, werden Bereiche niedrigen Widerstands 54, deren Abgasdurchlassentfernungen um die Tiefe der Einstichabschnitte 50, 53 kürzer ist als in anderen Bereichen, stromabwärts in der Strömungsrichtung des Abgases gebildet. Mit der Bildung der Einstichabschnitte 50, 53 nimmt der Widerstand eines Teils des Durchlasses des Wabenkörpers 51 ab, der mit dem Abschnitt übereinstimmt, der mit jedem der Einstichabschnitte 50, 53 übereinstimmt, wobei dieser Bereich verminderten Widerstands der Bereich niedrigen Widerstands 54 wird. Die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases nimmt in diesem Bereich niedrigen Widerstands 54 zu und daher nimmt die durch den Bereich niedrigen Widerstands 54 pro vorbestimmter Zeit strömende Abgasmenge zu. Wenn die Abgasmenge zunimmt, nimmt eine Wärmeübertragungsmenge auf den Wabenkörper 51 von dem Abgas entsprechend dieser Zunahme zu, mit dem Ergebnis, dass ein Wärmefleck in dem Bereich niedrigen Widerstands 54 gebildet wird. Ein Temperaturanstiegsbereich erstreckt sich von diesem Wärmefleck und es ist folglich möglich, die Temperatur des Wabenkörpers 51 schneller anzuheben als im Fall der gleichmäßigen Einströmung des Abgases.
Ferner kann der Bereich niedrigen Widerstands 54 als ein hochdichter Trägerbereich definiert werden, in welchem eine größere Menge der katalytischen Substanz vorliegt als in anderen Bereichen des Wabenkörpers 51.
Strömungsgeschwindigkeitsverbesserungsversuch
Als nächstes wurde ein Test zur Bestätigung einer Verbesserung der Strömungsgeschwindigkeit infolge der Bildung des Einstichabschnitts 50 ausgeführt.
Der Dreiwegekatalysator, der hierbei verwendet wurde, hat eine Konfiguration, in der der Wabenkörper 51 einen kreisförmigen Querschnitt hat, dessen Durchmesser 140 mm beträgt. Der Einstichabschnitt 50 ist im wesentlichen in der Mitte des Wabenkörpers 51 ausgebildet. Der Einstichabschnitt 50 hat 20 mm Durchmesser und ist 30 mm tief. Dieser Einstichabschnitt 50 ist innerhalb des Abgaskanals (Abgasstrang) der Brennkraftmaschine vorgesehen. Eine Strömungsgeschwindigkeit des Abgases an einer hinteren Endfläche, von der das den Dreiwegekatalysator durchströmende Abgas ausströmt, wird entlang des Umfangsbereich ausgehend von der Mitte gemessen.
Ferner ist zum Unterschiedsvergleich der Wabenkörper 51, der nicht mit einem Einstichabschnitt 50 versehen ist, in dem Abgaskanal vorgesehen und die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases wird auf die gleiche Weise wie oben gemessen.
7(b) zeigt das Ergebnis dieser Messung. Hierbei zeigt 7(b) eine Strömungsgeschwindigkeitsverteilung über den Querschnitt entlang einer Linie A-A des Wabenkörpers 51 in 7(a) und es ist zu ersehen, dass die Strömungsgeschwindigkeit in der Nähe der Mitte des Wabenkörpers 51 verbessert ist, der mit dem Einstichabschnitt 50 versehen ist.
Im Fall des Wabenkörpers, der nicht mit einem Einstichabschnitt 50 versehen ist, der zum Vergleich angeführt wurde, beträgt die Strömungsgeschwindigkeit in der Nähe der Mitte um die 10 m/sek. Im Fall, dass er mit dem Einstichabschnitt 50 versehen ist, ist die Strömungsgeschwindigkeit jedoch auf bis zu 12 bis 13 m/sek in der Nähe dieses Einstichabschnitts 50 verbessert. Es ist folglich zu ersehen, dass die Einbringung des Einstichabschnitts die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases, das das Innere des Wabenkörpers 51 passiert, in dem mit dem Einstichabschnitt 50 versehenen Bereich verbessert ist.
Aufwärmverbesserungsversuch
Als nächstes wurde ein Versuch zur Bestätigung einer Verbesserung der Aufwärmeigenschaften infolge der Bildung des Einstichabschnitts 50 ausgeführt.
Dabei wurde der gleiche Katalysator verwendet wie in dem Strömungsgeschwindigkeitsverbesserungsversuch.
Dieser Katalysator ist innerhalb des Abgaskanals der Brennkraftmaschine vorgesehen, die Brennkraftmaschine wird be trieben, und eine Menge von HC wird gemessen, die in dem Abgas vor und nach dem Dreiwegekatalysator enthalten ist.
Ferner ist als Vergleichsbeispiel der nicht mit einem Einstichabschnitt 50 versehene Wabenkörper 51 in dem Abgaskanal vorgesehen und die HC Menge in dem Abgas wird auf die gleiche Weise wie oben gemessen.
8 zeigt das Ergebnis dieser Messung. Hierin erreicht eine HC-Entfernungsrate in dem Fall der Ausbildung des Einstichabschnitts 50 90% in etwa 120 Sekunden seit dem Anlassen der Brennkraftmaschine. Im Unterschied dazu ist im Fall des Wabenkörpers, der nicht mit einem Einstichabschnitt 50 versehen ist, die HC-Entfernungsrate insgesamt niedrig und erreicht keine 90% bis zum Verstreichen von 200 Sekunden oder mehr.
Folglich ist, wenn der Einstichabschnitt vorgesehen ist, die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit schneller als in dem Fall, in welchem kein Einstichabschnitt 50 vorgesehen ist. Im Ergebnis ist zu erkennen, dass die Temperatur des Katalysators einen Säuberungsbereich früher seit dem Anlassen der Brennkraftmaschine erreicht und die HC Entfernungsrate verbessert ist.
NOx-Katalysator
Der NOx-Katalytkonverter oder NOx-Katalysator 20, der stromabwärts des Dreiwegekatalysators 17 angeordnet ist, ist so aufgebaut, dass beispielsweise Aluminiumoxid als Träger für mindestens eine Substanz dient, die aus Alkalimetallen, wie Kalium K, Natrium Na, Lithium Li und Cäsium Cs, Erdalkalimetallen, wie Barium Ba, Calcium Ca, und seltenen Erden, wie Lanthan La und Yttrium Y sowie Edelmetal len, wie Platin Pt, ausgewählt ist, die an dem Träger gehalten ist.
Dieser NOx-Katalysator 20 vollzieht, wenn er in dem Abgaskanal angeordnet ist, einen NOx-Absorptions/Freigabebetrieb mit der Absorption von NOx, wenn ein Luft-Kraftstoffverhältnis des zuströmenden Abgases (das nachfolgend als abgasseitiges Luft-Kraftstoffverhältnis bezeichnet wird) mager ist und der Freigabe von NOx, wenn eine Sauerstoffkonzentration in dem zuströmenden Abgas abnimmt. Hierbei gibt das Abgasluft-Kraftstoffverhältnis ein Verhältnis der Luft zu dem Kraftstoff (Kohlenwasserstoffe) an, dass in den Abgaskanal zugeführt wird, der weiter stromaufwärts angeordnet ist, als der Motoreinlasskanal und der NOx-Katalysator 20.
Es ist anzumerken, dass, wenn der Kraftstoff (Kohlenwasserstoff) oder die Luft nicht in den Abgaskanal zugeführt wird, der weiter stromaufwärts angeordnet ist als der NOx Katalysator 20, das Abgasluft-Kraftstoffverhältnis mit dem Luft-Kraftstoffverhältnis des Gasgemischs übereinstimmt, das in die Brennkammer 3 zugeführt wird. Folglich absorbiert in diesem Fall der NOx Katalysator 20 NOx, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis des in die Brennkammer zugeführten Gasgemischs mager ist und gibt NOx frei, wenn die Sauerstoffkonzentration in dem in die Brennkammer 30 zugeführten Gasgemisch abnimmt.
Ferner enthält der Kraftstoff Schwefel (S) und, wenn Schwefel in dem Kraftstoff verbrannt wird, werden Schwefeloxide (SOx) wie SO₂ und SO₃ erzeugt. Der Dreiwegekatalysator 17 fängt in dem Abgas enthaltenes SOx. In diesem Ausführungsbeispiel wird eine durch den Dreiwegekatalysator 17 absorbierte SOx Menge auf der Basis einer Hysterese des Motorbetriebszustands geschätzt. Der Zeitpunkt, wenn diese ge schätzte SOx-Absorptionsmenge eine vorbestimmte Menge wird, wird als der Zeitpunkt beurteilt, wenn SOx von dem SOx Absorber 17 freigegeben werden sollte. Dann wird ein Verfahren zur gezielten Freigabe von SOx aus dem Dreiwegekatalysator 17 ausgeführt (was nachfolgend als Regenerationsverfahren bezeichnet wird). Wenn das Regenerationsverfahren des Dreiwegekatalysators 17 ausgeführt wird, steuert die ECU 30 eine Temperatur des Abgases durch Verwendung einer passenden Vorgehensweise und steuert die Temperatur des Dreiwegekatalysators 17 auf eine vorbestimmte Temperatur (z.B. 550°C) oder höher.
Wenn der Dreiwegekatalysator 17 in das Abgas regeneriert, ergibt sich, dass eine große Menge freigegebenen SOx in dem Abgas enthalten ist, das aus dem Dreiwegekatalysator 17 strömt. Daher absorbiert, wenn dieses Regenerationsabgas in den NOx-Katalysator 20 strömt, der NOx-Katalysator 20 das SOx in dem Regenerationsabgas, mit dem Ergebnis, dass der NOx-Katalysator 20 eine SOx-Vergiftung erfährt. Weil dies so ist, wird das Abgasschaltventil 28 in der Bypassfreigabestellung gehalten, wenn das Regenerationsverfahren des Dreiwegekatalysators 17 ausgeführt wird, um diese Vergiftung zu verhindern, und das Regenerationsabgas, das aus dem Dreiwegekatalysator 17 strömt, wird in das Bypassrohr 26 geleitet. Es ist anzumerken, dass das von dem Dreiwegekatalysator 17 freigegebene SOx durch unverbrannte HC und CO, die in dem Abgas enthalten sind, zu SO₂ reduziert wird und dann abgegeben wird.
Es ist anzumerken, dass in einem nicht regenerierenden Betrieb des Dreiwegekatalysators 17 das Abgasschaltventil 28 in der Bypassschließstellung gehalten wird und das Abgas, das aus dem Dreiwegekatalysator 17 strömt, in den NOx-Katalysator 20 geleitet wird, und nicht durch das Bypassrohr 26 fließt.
Funktion des Katalysators beim Anlassen der Brennkraftmaschine
Wenn der NOx-Katalysator den vorbestimmten Temperaturbereich nicht erreicht, bietet er keine ausreichende Emissionsreinigungsfunktion. Das gleiche gilt für den Dreiwegekatalysator 17. Der Dreiwegekatalysator 17 ist jedoch an einer Position angeordnet, die der Brennkraftmaschine näher ist und folglich steigt seine Temperatur schnell an. Daher steigt die Temperatur des Dreiwegekatalysators 17 beim Anlassen der Brennkraftmaschine rasch an und das Abgas kann gereinigt werden, auch bevor der NOx Katalysator 20 ausreichend funktioniert. Dies ist der Grund, warum der Dreiwegekatalysator 17 als der Startkatalysator bezeichnet wird.
Bei dem Dreiwegekatalysator 17 in diesem Ausführungsbeispiel ist die Abgaseinströmfläche in den Wabenkörper 51 mit dem Einstichabschnitt 53 ausgebildet, der als der Abgashochgeschwindigkeitseinströmbereich dient, und daher wird die Strömungsgeschwindigkeit des in den Katalysator strömenden Abgases im Bereich des Einstichabschnitts 53 hoch, mit dem Ergebnis, dass eine Katalysatortemperatur in diesem Bereich schneller ansteigt als in anderen, diesen umgebenden Bereichen. Im Fall eines groß bemessenen Katalysators ist es möglich, eine Vielzahl von Einstichabschnitten in einem Zentralbereich davon vorzusehen. Beispielsweise wird diese Temperaturanstiegsgeschwindigkeit deutlich schneller, wie in 9 zu erkennen ist, wenn eine Vielzahl von Einstichabschnitten 53 vorgesehen ist.
Ferner wird, wie in 10 gezeigt ist, die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit gleichermaßen schnell, wenn ein ring förmiger Einstichabschnitt in der Endfläche des Katalysators ausgebildet ist.
Ferner trägt, in Übereinstimmung mit dem Einstichabschnitt 53, der hochdichte Trägerbereich eine größere Menge katalytischer Substanz als andere Bereiche des Wabenkörpers 51 und folglich wird die Temperaturanstiegswirkung stärker.
Eine latente Flamme tritt in dem mit dem Einstichabschnitt 53 übereinstimmenden Bereich auf und der Temperaturanstiegsbereich verteilt sich in die Umgebung, wodurch die Temperatur schneller ansteigt als in dem Fall, in welchem das Abgas gleichmäßig einströmt.
Somit ist, wenn der Einstichabschnitt 53 in der Endfläche des Katalysators ausgebildet ist, die Katalysatortemperaturanstiegsgeschwindigkeit höher als in dem Fall, in welchem kein Einstichabschnitt 53 vorgesehen ist. Wenn ferner der hochdichte Trägerbereich vorgesehen ist, wird die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit höher.
Entsprechend kann der Katalysator schneller aufgewärmt werden, wenn die Brennkraftmaschine angelassen wird, und das Abgas kann wirksam gereinigt werden. Insbesondere kann das Aufwärmen des Katalysators beschleunigt werden und daher kann die Leistung des Startkatalysators verbessert werden.
Ferner kann die Temperatur des Katalysators rasch angehoben werden, so dass dies für das Ausführen des Regenerationsverfahrens für den Dreiwegekatalysator 17 vorteilhaft ist.
Die vorliegende Erfindung ist auf den Dreiwegekatalysator 17 als den Startkatalysator in den oben beschriebenen Ausführungsbeispiel angewandt, jedoch können der Einstichabschnitt 53 und der hochdichte Trägerbereich auch in dem in
1 gezeigten NOx-Katalysator 20 vorgesehen sein. Wenn der NOx-Katalysator 20 mit dem Einstichabschnitt 53 und dem hochdichten Trägerbereich versehen ist, ist, wie im Fall des Dreiwegekatalysators 17, die Zeit verkürzt, die erforderlich ist, bis der NOx-Katalysator 20 den aktiven Temperaturbereich erreicht und das Abgas wird beim Anlassen der Brennkraftmaschine wirksamer gereinigt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Strömungsgeschwindigkeit des durch den Bereich niedrigen Widerstands des Katalysatorträgers strömenden Abgases höher gemacht werden als in anderen Bereichen und folglich nimmt die Durchflussmenge des Abgases pro Zeiteinheit zu, mit dem Ergebnis, dass die Temperatur in dem Bereich niedrigen Widerstands schneller ansteigt als in den umgebenden Bereichen. Dann tritt die latente Flamme in diesem Bereich auf und der Temperaturanstiegsbereich verbreitet sich in die Umgebung, wodurch die Temperatur des Katalysators schneller angehoben werden kann als in einem Fall, in welchem das Abgas gleichmäßig einströmt, und die oben angegebene Wirkung kann weiter verstärkt werden.

Claims

Abgasemissionssteuerungssystem einer Brennkraftmaschine, mit: A) einer Brennkraftmaschine; und B) einem Abgasreinigungskatalysator (17), der in einem Abgaskanal (16, 19) der Brennkraftmaschine angeordnet ist, wobei das Emissionssteuerungssystem ferner aufweist: a) einen Hüllkörper (18), der mit einem Abgaseinlass und einem Abgasauslass ausgebildet ist; b) einem Katalysatorträger (51), der in den Hüllkörper (18) eingebaut ist; und c) einer katalytischen Substanz, die an dem Katalysatorträger (51) gehalten ist, wobei ein Teil des Katalysatorträgers (51) des Abgasreinigungskatalysators (17) ein Bereich niedrigen Widerstands (54) ist, der so ausgebildet ist, dass ein Gasströmungswiderstand niedriger ist als in anderen Bereichen, und der an einer solchen Position angeordnet ist, an der eine Strömungsgeschwindigkeit des zu dem Katalysatorträger strömenden Abgases hoch ist.
Ein Abgasemissionssteuerungssystem einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei der Bereich niedrigen Widerstands (54) ein Bereich ist, in welchem der Gasströmungswiderstand verringert ist, indem ein Einstichabschnitt (50, 53) in dem Katalysatorträger (51) ausgebildet ist.
Ein Abgasemissionssteuerungssystem einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, wobei der Einstichabschnitt (50, 53) in einer abgaseinströmseitigen Endfläche des Katalysatorträgers (51) ausgebildet ist.
Ein Abgasemissionssteuerungssystem einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, wobei ein Abschnitt des Katalysatorträgers (51), der in Strömungsrichtung des Abgases weiter stromabwärts angeordnet ist als der Einstichabschnitt (50, 53), eine größere Menge katalytischer Substanz trägt als andere Abschnitte.
Ein Abgasemissionssteuerungssystem einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, wobei der Einstichabschnitt (50, 53) in einer abgasausströmseitigen Endfläche des Katalysatorträgers (51) ausgebildet ist.
Ein Abgasemissionssteuerungssystem einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, wobei ein Abschnitt des Katalysatorträgers (51), der in Strömungsrichtung des Abgases weiter stromaufwärts angeordnet ist als der Einstichabschnitt (50, 53), eine größere Menge an katalytischer Substanz trägt als andere Abschnitte.
Ein Abgasemissionssteuerungssystem einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei eine Vielzahl von Einstichabschnitten ausgebildet ist.
Ein Abgasemissionssteuerungssystem einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei der Einstichabschnitt (50, 53) eine ringförmige Form hat.
Ein Abgasemissionssteuerungssystem einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei der Einstichabschnitt (50, 53) einen geneigten Abgasführungskanal umfasst.
Ein Abgasemissionssteuerungssystem einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, wobei der Einstichabschnitt (50, 53) eine konische Form hat.