DE10117911B4 - Abgasreiniger - Google Patents

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Abstract

Abgasreiniger mit
einem in einem Abgaskanal (14) angeordneten Katalysator (15) zum Reinigen eines Abgases von toxischen Substanzen und
einer Einrichtung (22, 23) zum Einstellen der Katalysatorreaktion durch Anlegen eines elektrischen oder elektromagnetischen Felds an die Umgebung einer Oberfläche des Katalysators,
gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (16, 17) zum Erfassen eines das Abgas-Reinigungsvermögen des Katalysators beeinflussenden Faktors und
eine Steuereinrichtung (18) zum Steuern des elektrischen bzw. elektromagnetischen Felds aufgrund des erfassten Faktors.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Abgasreiniger mit einem Katalysator, der in einem Abgaskanal, insbesondere eines Verbrennungsmotors, angeordnet ist, um toxische Substanzen aus dem Abgas zu entfernen.
  • Ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor stößt Abgase aus, die aus der Verbrennung herrühren und toxische Substanzen wie CO, CH und NOx enthalten. Zum Entfernen dieser Substanzen ist im Abgassystem ein Katalysator vorhanden. Ein derartiger Katalysator wird verschiedenen Atmosphären ausgesetzt. Er jedoch kann sein Reinigungsvermögen nur unter eingeschränkten Bedingungen aufrechterhalten; abhängig von den Betriebsbedingungen des Motors kann sein Reinigungsvermögen stark beeinträchtigt sein. Zu Beispielen für Betriebsbedingungen des Motors, die die Reinigungsfunktion eines Katalysators stark beeinträchtigen, gehören Betrieb bei niedriger Temperatur, wie Kaltstart und Leerlauf; außerdem gehört dazu Hochtemperaturbetrieb eines NOx einfangenden Katalysators bei 600 °C oder mehr.
  • Um den oben angegebenen Nachteil zu überwinden, wurde in JP 10-266831 A vorgeschlagen, im Abgas enthaltene toxische Komponenten unabhängig von den Betriebsbedingungen des Motors wirkungsvoll zu zersetzen und zu verringern. Bei dem bekannten Abgasreiniger ist im Abgaskanal des Motors ein Dreiwegekatalysator mit einer elektrischen Schaltung angeordnet, die dazu dient, im Abgas enthaltene toxische Komponenten in einen Plasmazustand zu überführen und dadurch zu zersetzen. Die verbliebenen toxischen Komponenten, die nicht zu Plasma wurden, werden durch den Dreiwegekatalysator entfernt.
  • Bei dem vorstehend genannten herkömmlichen Abgasreiniger werden also durch von einer elektrischen Schaltung zugeführte elektrische Energie im Abgas enthaltene toxische Komponenten in einen Plasmazustand überführt und direkt zersetzt. Dieser Vorgang verbraucht viel elektrische Energie. Außerdem besteht die Möglichkeit, dass sich einmal zersetzte Komponenten erneut zu toxischen Komponenten verbinden, so dass keine ausreichende Reinigungsfunktion erzielt wird. Darüberhinaus müssen bei der herkömmlichen Vorrichtung toxische Komponenten, die durch Anwendung elektrischer Energie nicht zu Plasma wurden, durch den Dreiwegekatalysator entfernt werden, was dann nicht zuverlässig geschieht, wenn der Motor unter Bedingungen arbeitet, die das Reinigungsvermögen des Katalysators beeinträchtigen.
  • DE 36 42 472 A1 offenbart einen Abgasreiniger gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Aus DE 41 40 618 A1 ist ferner eine Vorrichtung zum Ermitteln der Konvertierfähigkeit eines Katalysators bekannt. Eine Regelung des Reinigungsvermögens des Katalysators ist bei beiden Vorrichtungen nicht vorgesehen.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgasreiniger mit stabiler Abgas-Reinigungsfunktion bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen zu schaffen, der wenig elektrische Energie verbraucht.
  • Diese Aufgabe ist durch den Abgasreiniger nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
  • Beim erfindungsgemäßen Abgasreiniger steuert die Steuereinrichtung, auf Grundlage eines Faktors, der die Abgas-Reinigungsfunktion beeinflusst, die Reaktionseinstelleinrichtung, so dass diese die katalytische Reaktion durch Anlegen eines elektrischen oder elektromagnetischen Felds an die Umgebung der Oberfläche des Katalysators einstellt. Daher kann stabile Funktion zum Reinigen von Abgas mittels einer katalytischen Reaktion gewährleistet werden, und elektrische Energie kann im Vergleich zu Abgasreinigern eingespart werden, bei denen toxische Komponenten im Abgas in einen Plasmazustand überführt und direkt zersetzt werden.
  • Vorzugsweise erfasst die Statuserfassungseinrichtung einen Faktor in Zusammenhang mit der Temperatur des Abgase reinigenden Katalysators, und wenn die Katalysetemperatur in einen Temperaturbereich fällt, in dem das Funktionsvermögen des Katalysators abnimmt, erhöht die Steuereinrichtung die Stärke des elektrischen oder elektromagnetischen Felds, um dadurch die Reaktion des Katalysators zu fördern. Ferner begrenzt die Steuereinrichtung vorzugsweise die Stärke des durch die Reaktionseinstelleinrichtung angelegten elektrischen oder elektromagnetischen Felds, um ein eine Entladungsgrenze bildendes elektrisches Feld nicht zu überschreiten.
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
  • 1 ist eine schematische Ansicht, die die Konfiguration eines Abgasreinigers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
  • 2 ist eine Schnittansicht einer im Abgasreiniger verwendeten Katalysatoreinheit;
  • 3 ist ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen eines durch den Abgasreiniger ausgeführten Steuervorgangs;
  • 4a und 4b sind Kurvenbilder, die jeweils die Beziehung zwischen einem Betriebszustand und dem elektrischen Feld an der Katalysatoroberfläche zeigen;
  • 5 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen dem Intermolekularabstand von NO und der potenziellen Energie zeigt;
  • 6a bis 6c sind schematische Ansichten, die jeweils einen Prozess der NO-Zersetzung durch einen Katalysator veranschaulichen;
  • 7 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen einem angelegten elektrischen Feld und einem korrigierten Temperaturanstieg eines Katalysators zeigt;
  • 8 ist eine Schnittansicht einer Katalysatoreinheit, die in einem Abgasreiniger gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet ist; und
  • 9 ist eine Schnittansicht einer Katalysatoreinheit, die in einem Abgasreiniger gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet ist.
  • Gemäß 1, die einen Abgasreiniger für einen Motor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, ist eine Ansaugleitung 12 mit einem Ansaugstutzen einer nicht dargestellten Verbrennungkammer eines Motors 11 verbunden, und an einem Lufteinlass der Ansaugleitung 12 ist ein Luftreiniger 13 angebracht. Indessen ist mit einem nicht dargestellten Auslassstutzen des Motors 11 ein Abgaskanal 14 verbunden, und im stromabwärtigen Teil derselben ist ein Dreiwegekatalysator 15 vorhanden, der als Abgase reinigender Katalysator zum Reinigen des Abgases von in ihm enthaltenen toxischen Substanzen angeordnet ist. An dem Abgaskanal 14 ist auf der stromaufwärtigen Seite des Katalysators 15 ein Hochtemperatursensor 16 angebracht, und an dem Abgaskanal 14 ist auf der stromabwärtigen Seite des Katalysators 15 ein Abgassensor (z.B. ein O2-Sensor oder ein NOx-Sensor) 17 angebracht. Ferner ist am stromabwärtigen Ende des Abgaskanals 14 ein nicht dargestellter Auspuff befestigt. Die Sensoren 16, 17 bilden die in den Ansprüchen genannte Einrichtung zum Erfassen eines das Abgas-Reinigungsvermögen des Katalysators beeinflussenden Faktors.
  • Im Fahrzeug ist eine als Steuervorrichtung dienende elektronische Steuereinrichtung (ECU = Electronic Control Unit) 18 vorhanden. Die Steuereinrichtung 18 verfügt über eine Ein/Ausgabe-Einheit; eine ein Steuerprogramm, Steuerkennfelder und andere Daten speichernde Speichereinheit; eine zentrale Verarbeitungseinheit sowie Timer und Zähler. Die Steuereinrichtung 18 führt eine gesamte Steuerung des Motors 11 aus. Genauer gesagt, werden verschiedene Einzelinformationen, wie die Motordrehzahl, der Gaspedalwinkel, die Drosselöffnung, die Fahrgeschwindigkeit, die Motorkühlmittel-Temperatur und die Ansaugtemperatur, in die Steuereinrichtung 18 eingegeben, und die Steuereinrichtung 18 bestimmt auf Grundlage der verschiedenen Einzelinformationen den Kraftstoff-Einspritzmodus, die Kraftstoff-Einspritzmenge, den Zündzeitpunkt usw., und sie steuert ein Einspritzventil und andere Bauteile an.
  • Im Motor 11 mit dem oben genannten Aufbau wird innerhalb der Verbrennungskammer ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft verbrannt, und Abgas wird ausgestoßen. Das Abgas strömt in den Abgaskanal 14 und tritt dann in den Katalysator 15 ein, in dem im Abgas enthaltene toxische Substanzen, wie CO, CH und NOx, durch Reinigen entfernt werden. Das so gereinigte Abgas wird über den Auspuff an die Atmosphäre abgegeben. Jedoch kann die Reinigungsfunktion des Katalysators 15 bei Betriebsbedingungen mit niedriger Temperatur abnehmen, wie beim Start mit niedriger Temperatur oder im Leerlaufbetrieb des Motors 11.
  • Angesichts des Vorstehenden sind im Abgasreiniger für einen Verbrennungsmotor gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Reaktionseinstelleinrichtung dienende Elektroden vorhanden, um an die Umgebung der Oberfläche des Katalysators 15 ein elektrisches Feld anzulegen, um dadurch die Reaktion durch den Katalysator einzustellen. Faktoren, die das Abgas-Reinigungsvermögen des Katalysators 15 bestimmen, werden erfasst (durch Statuserfassungseinrichtungen), und die Steuereinrichtung 18 (Steuereinrichtung) steuert das durch die Elektroden angelegte elektrische Feld auf Grundlage der erfassten Faktoren.
  • Faktoren, die das Abgas-Reinigungsvermögen des Katalysators 15 beeinflussen, sind Betriebsbedingungen des Motors 11, zum Beispiel mindestens eine der folgenden Bedingungen: Motordrehzahl, Fahrgeschwindigkeit, Motorkühlmittel-Temperatur, Ansaugtemperatur, Abgastemperatur, Katalysatortemperatur, Motorlast, Abgas-Strömungsrate, Toxizitätswert des Abgases, L/K(Luft/Kraftstoff)-Verhältnis im Abgas und Grad einer Katalysatorvergiftung. Wenn mehrere Faktoren verwendet werden, können diese addiert, gemittelt, gewichtet oder abhängig von den Betriebsbedingungen ausgewählt werden.
  • Die oben angegebenen Faktoren können in die Katalysatortemperatur beeinflussende Parameter, das Katalysator-Reaktionsvermögen (Geschwindigkeit) beeinflussende Parameter, die Beeinträchtigung des Reinigungsvermögens des Katalysators be einflussende Parameter sowie solche Parameter eingeteilt werden, die das Reinigungsvermögen (Geschwindigkeit) des Katalysators für eine spezielle Abgaskomponente beeinflussen.
  • Zu Beispielen, die die Katalysatortemperatur beeinflussen, gehören die Abgastemperatur, die Fahrgeschwindigkeit, die Motorkühlmittel-Temperatur, die Ansaugtemperatur und die Katalysator-Einlasstemperatur. Wenn z.B. die Abgastemperatur oder die Katalysatortemperatur niedrig ist, wird den Elektroden (der Reaktionseinstelleinrichtung) zugeführte Elektrizität so gesteuert, dass die Stärke eines angelegten elektrischen oder elektromagnetischen Felds erhöht wird. Ferner nimmt, wenn die Kühlmitteltemperatur des Motors niedrig ist, CH-Emission durch Fehlzündung oder schlechte Verbrennung zu, und wegen der niedrigen Wandtemperatur der Verbrennungskammer nimmt die Unterdrückungszone zu, was einen Anstieg der CH-Emission zur Folge hat. Daher wird in diesem Fall die den Elektroden zugeführte Elektrizität so eingestellt, dass die Stärke des angelegten elektrischen oder elektromagnetischen Felds erhöht wird. Wenn die Katalysatortemperatur oder die Abgastemperatur hoch ist, wird die den Elektroden zugeführte Elektrizität so eingestellt, oder es wird keine Elektrizität zugeführt, dass die Stärke des angelegten elektrischen oder elektromagnetischen Felds gesättigt wird, um eine nicht erforderliche Reaktion zu verhindern, die andernfalls durch das angelegte Feld herbeigeführt würde.
  • Zu Beispielen von Parametern, die die Funktion (Geschwindigkeit) der Katalysatorreaktion beeinflussen, gehören die Motordrehzahl, die Abgasströmungsrate und die Motorlast. Wenn z.B. die Abgasströmungsrate zunimmt, wird die den Elektroden (der Reaktionseinstelleinrichtung) zugeführte Elektrizität so eingestellt, dass die Stärke des angelegten elektrischen oder elektromagnetischen Felds erhöht wird. Wenn die Temperatur des Katalysators oder des Abgases hoch ist, wird die den Elektroden zugeführte Elektrizität so eingestellt, dass die Stärke des angelegten Felds gesenkt wird.
  • Ein Beispiel für Parameter, die die Beeinträchtigung des Reinigungsvermögens eines Katalysators beeinflussen, ist der Vergiftungsgrad eines Katalysators, einschließlich CO- und/oder O2-Vergiftung, oder, im Fall eines NOx einfangenden Katalysators, eine NOx- und eine SOx-Vergiftung.
  • Zu Beispielen von Parametern, die das Funktionsvermögen (die Geschwindigkeit) eines Katalysators zum Reinigen einer speziellen Abgaskomponente beeinflussen, gehören ein Wert hinsichtlich einer speziellen Abgaskomponente sowie das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im Abgas. Die Konzentration oder die Emissionsmenge von CH, CO, NOx usw. wird als Wert hinsichtlich einer speziellen Abgaskomponente erfasst, und wenn zu erwarten ist, dass die erfasste Konzentration oder die Emissionsmenge der speziellen Abgaskomponente zu hoch ist, als dass diese spezielle Abgaskomponente ausreichend gereinigt werden könnte, wird die den Elektroden zugeführte Elektrizität so eingestellt, dass die Stärke des angelegten elektrischen oder elektromagnetischen Felds erhöht wird. Auch wird, wenn aus einem erfassten Luft/Kraftstoff-Verhältnis im Abgas ein Anstieg der Emissionsmenge einer speziellen Abgaskomponente erwartet wird, die den Elektroden zugeführte Elektrizität so eingestellt, dass die Stärke des angelegten elektrischen oder elektromagnetischen Felds erhöht wird.
  • Wie in 2 dargestellt, besteht der Dreiwegekatalysator 15 aus einem Wabenmusterträger 21 mit einer großen Anzahl von Abgaskanälen mit einem Durchmesser von ungefähr 1 mm, und eine ein Edelmetall (z.B. Platin, Rhodium, Palladium) tragende Waschbeschichtung ist auf eine Oberfläche des Wabenmusterträgers 21 aufgebracht. An der Ober- und der Unterseite des Wabenmusterträgers 21 ist eine Außenelektrode 22 befestigt, und im mittleren Teil desselben ist eine Innenelektrode 23 angeordnet. Da die Elektroden 22 und 23 im Wesentlichen parallel angeordnet sind, ist eine Schichtkonfiguration ausgebildet. Ferner sind an den entgegengesetzten Flächen des Wabenmusterträgers 21 Isolatoren 24 befestigt. Zwischen die Außenelektrode 22 und die Innenelektrode 23 wird eine Span nung gelegt, um ein gleichmäßiges elektrisches Feld zu erzeugen.
  • Nun wird das Betriebsprinzip zum Einstellen der katalytischen Reaktion durch Anlegen eines elektrischen Felds an die Umgebung der Oberfläche des Katalysators 15 kurz beschrieben. Das Kurvenbild der 5 zeigt die Beziehung zwischen dem Intermolekülabstand von NO-Molekülen und der potenziellen Energie. Wie in 5 dargestellt, existiert zwischen gasförmigen NO-Molekülen und solchen auf einem Katalysator eine Differenz der potenziellen Energie. Wenn die potenzielle Energie eines Moleküls hoch ist, bedeutet dies, dass dieses Molekül eine kleine Dissoziationsenergie (Aktivierungsenergie) aufweist und sich daher leicht zersetzt. Wenn in diesem Zustand ein elektrisches Feld angelegt wird, bewegt sich gasförmiges NO auf einer Potenzialkurve von NO-Molekülen auf dem Katalysator bis auf ein Anregungsniveau, so dass eine Zersetzung leichter auftritt. Das Vorstehende ist das denkbare Betriebsprinzip zum Verbessern der Katalysatorfunktion durch Anlegen eines elektrischen Felds. Die Elektroden 22, 23 bilden die in den Ansprüchen genannte Einrichtung zum Einstellen der Katalysatorreaktion.
  • D.h., dass in dem in 6a dargestellten Fall, in dem NO-Moleküle durch ein auf einer Katalysatoroberfläche getragenes Edelmetall adsorbiert werden, Elektronen e der NO-Moleküle in das Edelmetall laufen, so dass das Potenzialgleichgewicht zwischen den NO-Molekülen gestört ist und die N-O-Bindungskraft geschwächt wird. Wenn, wie in 6b dargestellt, in diesem Zustand ein elektrisches Gleichfeld an den Katalysator angelegt wird, nimmt der Intermolekülabstand der NO-Moleküle durch das elektrische Feld zu, da adsorbierte NO-Moleküle Polaritäten aufweisen. Aufgrund der durch das elektrische Feld hinzugefügten potenziellen Energie nehmen die potenziellen Energien der NO-Moleküle noch weiter zu. Im Ergebnis wird die N-O-Bindungsfestigkeit schwächer, und es tritt leicht Zersetzung auf. Wenn, wie in 6c dargestellt, in diesem Zustand an den Katalysator ein hochfrequentes elektri sches Feld angelegt wird, werden die NO-Moleküle durch dieses in Schwingung versetzt, da die adsorbierten NO-Moleküle wie im oben beschriebenen Fall Polaritäten aufweisen, wodurch sie in Schwingung versetzt werden. Im Ergebnis nehmen die potenziellen Energien der NO-Moleküle zu, und sie treten in einen Zustand mit angeregter Schwingung ein, wodurch die N-O-Bindungsfestigkeit schwächer wird und eine Zersetzung leicht auftritt.
  • Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm der 3 und die Betriebszustands-Kennlinien der 4a und 4b die Steuerung des Katalysators 15 beschrieben, wie sie durch den oben beschriebenen Abgasreiniger für einen Verbrennungsmotor gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bewirkt wird.
  • Als Erstes werden, in einem Schritt S1, Betriebsbedingungen des Motors 11 oder dergleichen erfasst; außerdem wird ein elektrisches Entladungsgrenzfeld des Katalysators 15 erhalten. Wie oben beschrieben, gehören zu den Betriebsbedingungen eine oder mehrere Bedingungen, die aus den folgenden ausgewählt sind: Motordrehzahl, Fahrgeschwindigkeit, Motorkühlmittel-Temperatur, Ansaugtemperatur, Abgastemperatur, Katalysatortemperatur, Abgas-Strömungsrate, Toxizitätswert des Abgases, L/K-Verhältnis des Abgases und Grad der Katalysatorvergiftung. Das elektrische Entladungsgrenzfeld wird aus einem Kennfeld erhalten, auf das auf Grundlage eines oder mehrerer Werte Bezug genommen wird, die aus Folgendem ausgewählt sind: Katalysatortemperatur, Abgastemperatur, zwischen die Elektroden gelegtes elektrisches Feld und Abgasdichte innerhalb des Katalysators. Diese Werte werden unter Verwendung eines Strömungsratensensors, eines Drucksensors und anderer Sensoren sowie des Hochtemperatursensors 16 und des Abgassensors 17 erfasst. Wenn das elektrische Entladungsgrenzfeld aus einem vorhergesagten oder tatsächlich unter Verwendung eines Stromsensors oder eines Spannungssensors gemessenen Entladungsstroms erhalten wird, kann die Erfassungsgenauigkeit weiter verbessert werden.
  • In einem Schritt S2 wird aus dem Betriebsbedingungen-Kennfeld ein elektrisches Feld an der Katalysatoroberfläche erhalten. Wie in 4a dargestellt, ändert sich das elektrische Feld an der Katalysatoroberfläche abhängig von der Katalysator-Einlasstemperatur, die als Betriebsbedingung erfasst wird. Alternativ wird, wie in 4b dargestellt, das elektrische Feld an der Katalysatoroberfläche abhängig vom Grad der Katalysatorvergiftung, die als Betriebsbedingung erfasst wird, geändert. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Katalysator-Einlasstemperatur durch den Hochtemperatursensor 16 erfasst, und der Grad der Katalysatorvergiftung wird durch den Abgassensor 17 erfasst. Jedoch können diese Werte unter Bezugnahme auf ein Kennfeld und auf Grundlage der Betriebsbedingungen erhalten werden. Wenn eine Vergiftung innerhalb einer relativ kurzen Periode auftritt, wird das elektrische Feld an der Katalysatoroberfläche mit Intervallen von 1 Sek. oder weniger erhöht oder erniedrigt. Wenn eine Vergiftung über eine relativ lange Periode auftritt, wird das elektrische Feld an der Katalysatoroberfläche mit Intervallen von einer Woche oder mehr erhöht oder erniedrigt.
  • Zu Beispielen schädlicher Substanzen, die zu Vergiftung führen, gehören THC, CO, NOx, SOx, H2S, NH3, N2O und teilchenförmige Stoffe. Es können eine schädliche Substanz oder mehrere als Vergiftungssubstanz erfasst werden. Schädliche Substanzen können unter Verwendung des Abgassensors gemessen werden, oder sie können unter Bezugnahme auf ein Kennfeld und auf Grundlage der Betriebsbedingungen erhalten werden. Darüberhinaus kann ein Erhöhungskoeffizient betreffend schädliches Abgas verwendet werden, der durch Gewichtung wie folgt erhalten wird: Erhöhungskoeffizient betreffend schädliches Abgas = Σ{NOx-Gewichtungskoeffizient × NOx-Emission + THC-Gewichtungskoeffizient × THC-Emission + CO-Gewichtungskoeffizient × CO-Emission}
  • Zu Beispielen von Katalysatorvergiftungen gehören CO-Vergiftung und O2-Vergiftung sowie, im Fall eines NOx-einfangenden Katalysators, eine NOx- und eine SOx-Vergiftung.
  • Darüberhinaus können Änderungen der Betriebsbedingungen vorhergesagt werden, auf deren Grundlage das elektrische Feld an der Katalysatoroberfläche erhöht oder erniedrigt werden kann, um dadurch die Ansprechverzögerung zu kompensieren. Ein Wert, der die Stärke des elektrischen Felds an der Katalysatoroberfläche, wie aus einem Kennfeld erhalten, anzeigt, kann einen negativen Wert einnehmen. Wenn jedoch die schließlich bestimmte Stärke des elektrischen Felds an der Katalysatoroberfläche einen negativen Wert einnimmt, wird diese Stärke auf Null gesetzt. Falls erforderlich, wird die Richtung des elektrischen Felds so geändert, dass der Katalysator abwechselnd positiv und negativ geladen wird, um dadurch den gesamten Katalysator wirkungsvoll zu nutzen.
  • Nachdem das elektrische Feld an der Katalysatoroberfläche auf die oben angegebene Weise ermittelt wurde, erfolgt in einem Schritt S3 eine Beurteilung dahingehend, ob die Stärke desselben stärker als die des elektrischen Entladungsgrenzfeldes ist. Wenn das elektrische Feld an der Katalysatoroberfläche stärker als das elektrische Entladungsgrenzfeld ist, wird die Stärke des elektrischen Felds an der Katalysatoroberfläche in einem Schritt S4 so eingestellt, dass sie der des elektrischen Entladungsgrenzfeldes entspricht. Wenn das elektrische Feld an der Katalysatoroberfläche schwächer als das elektrische Entladungsgrenzfeld ist, bleibt seine Stärke unverändert aufrechterhalten.
  • Die Stärke des elektrischen Felds an der Katalysatoroberfläche kann durch Steuerung des zwischen den Elektroden erzeugten elektrischen Felds geändert werden. Vorzugsweise wird die Stärke des elektrischen Felds an der Katalysatoroberfläche so eingestellt, dass sie den folgenden Bedingungen genügt: Elektrisches Feld E(kV/cm) an der Katalysatoroberfläche ≥ (Dissoziationsenergie des Abgases (eV)/gemittelte freie Weglänge der Abgaselektronen (μm)) × [(Aktivierungstemperatur des Katalysators (K) – Katalysator-Einlasstemperatur (K))/Aktivierungstemperatur des Katalysators (K)] × 10
  • Wenn z.B. die Dissoziationsenergie des Abgases 15,6 eV beträgt, die mittlere freie Weglänge der Abgaselektronen 0,375 μm beträgt, die Aktivierungstemperatur des Katalysators 300 °C beträgt und die Katalysator-Einlasstemperatur 25 °C beträgt, muss das elektrische Feld E an der Katalysatoroberfläche 200 kV/cm (d.h. E ≥ 200 kV/cm) oder mehr betragen. Die Katalysator-Einlasstemperatur (K) kann die Katalysatortemperatur sein.
  • Die oben angegebene Ermittlung eines elektrischen Entladungsgrenzfeldes unter Bezugnahme auf ein Betriebsbedingungs-Kennfeld ist ein bloßes Beispiel. Wenn eine andere Katalysatoreinheit als der genannte Dreiwegekatalysator 15 verwendet wird, wie ein NOx einfangender Katalysator, ein NOx-Katalysator mit selektiver Reduktion oder ein Katalysator mit CH-Adsorption, wird das elektrische Entladungsgrenzfeld so eingestellt, dass die jeweilige Katalysatoreinheit optimal arbeitet. Wenn ein elektromagnetisches Feld angelegt wird und das zu reinigende Abgas mehrere Komponenten enthält, können die mehreren Komponenten dadurch gereinigt werden, dass die Frequenz des elektromagnetischen Felds sequenziell auf verschiedene Werte umgeschaltet wird.
  • Wie oben beschrieben, sind beim Abgasreiniger für einen Verbrennungsmotor gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Elektroden 22 und 23 am Katalysator 15 angebracht, um an die Umgebung der Katalysatoroberfläche ein elektrisches Feld anzulegen, um dadurch die katalytische Reaktion entsprechend den Betriebsbedingungen einzustellen, wodurch die potenzielle Energie des Abgases entsprechend den Eigenschaften des Katalysators erhöht wird. Insbesondere existiert ein für jeden Katalysator geeigneter Temperaturbereich, und im Allgemeinen wird der Katalysator auf diesen Temperaturbereich erwärmt und in ihm gehalten. Demgegenüber wird beim vorliegenden Ausführungsbeispiel die potenzielle Energie des Abgases durch das durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden 22 und 23 erzeugte elektrische Feld erhöht, wodurch eine katalytische Re aktion aktiviert wird, ohne dass die Temperatur des Katalysators erhöht werden müsste.
  • Die Zunahme der potenziellen Energie beruht vermutlich auf einer Aktivierung von Elektronen oder Molekülen im Abgas, einer abgesenkten Höhe einer Potenzialbarriere und/oder einer verringerten Dicke der Potenzialbarriere.
  • Genauer gesagt, beträgt, wie in 7 dargestellt, wenn die Katalysator-Einlasstemperatur und die Abgastemperatur beide 25 °C betragen, die Stärke des elektrischen Entladungsgrenzfeldes, bei der der vorherrschende Anteil der Gasmoleküle zu dissoziieren beginnt, ungefähr 420 kV/cm, und wenn die Abgastemperatur 300 °C beträgt, beträgt die Stärke des elektrischen Entladungsgrenzfeldes, bei der der vorherrschende Anteil der Gasmoleküle zu dissoziieren beginnt, ungefähr 180 kV/cm. Diese Werte können aus der Beziehung zwischen der mittleren freien Weglänge der Gasmoleküle und Elektronen und der Dissoziationsenergie der Gasmoleküle erhalten werden.
  • Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel können die Geschwindigkeit der katalytischen Reaktion und die bei dieser erforderlichen Reaktionsgeschwindigkeiten (einschließlich Adsorption, Dissoziation und Desorption) eingestellt werden. Insbesondere dann, wenn eine Katalysatoreinheit mit NOx-Einfang verwendet wird, wird es durch Ändern des elektrischen Entladungsgrenzfeldes möglich, überflüssige Reaktionen zu unterdrücken, die in einer solchen Einheit bei 600 °C oder mehr auftreten, wie eine Dissoziationsreaktion von Nitraten und eine Oxidationsreaktion von THC, wie sie bevorzugt für O2 gegenüber NOx auftritt. Außerdem können CO, O2, NOx, SOx usw., die einen Katalysator vergifteten, entfernt werden, um diesen zu regenerieren. Darüberhinaus kann durch das vorliegende Ausführungsbeispiel im Vergleich zu Abgasreinigern, bei denen im Abgas enthaltene toxische Komponenten in einen Plasmazustand überführt werden und direkt zersetzt werden, elektrische Energie eingespart werden.
  • Beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Außenelektroden 22 und die Innenelektrode 23 im Wesentlichen parallel am Wabenmusterträger 21 des Katalysators 15 vorhanden, um dadurch ein gleichmäßiges elektrisches Feld zu erzielen. Jedoch kann eine Konstruktion verwendet werden, wie sie in 8 dargestellt ist. Bei dieser Konstruktion sind mehrere zylindrische Innenelektroden (Metallelektroden) 32 an der Oberfläche einer Katalysatorschicht (Waschbeschichtung + Edelmetall) 31 angebracht; auf den Innenelektroden 32 ist ein dielektrischer Körper (Keramikträger) 33 vorhanden; außerdem ist auf dem dielektrischen Körper 33 eine Außenelektrode 34 vorhanden, um eine Schichtstruktur zu bilden. Diese Struktur erzeugt ein ungleichmäßiges elektrisches Feld, so dass nur in der Nähe von Orten, an denen die Innenelektroden 32 mit der Katalysatorschicht 31 in Kontakt stehen, ein starkes elektrisches Feld erzeugt wird.
  • Darüberhinaus kann eine Konstruktion verwendet werden, wie sie in 9 dargestellt ist. Bei dieser sind dielektrische Körper (Träger) 41 vorhanden, um die Gesamtquerschnittsfläche der dielektrischen Körper, gemessen entlang einer Ebene rechtwinklig zur Richtung des elektrischen Felds, zu verringern, um dadurch in jedem Abgaskanal 42 in der Nähe der Oberfläche des Katalysators 43 ein starkes elektrisches Feld zu erzeugen.
  • Beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ein elektrisches Feld an die Umgebung der Oberfläche des Katalysators 15 angelegt, um dadurch die potenzielle Energie des Abgases um einen für die Eigenschaften des Katalysators geeigneten Wert zu erhöhen. Jedoch kann das Ausführungsbeispiel wie folgt modifiziert werden. Als Reaktionseinstelleinrichtung wird ein Magnetron zum Erzeugen elektromagnetischer Wellen angebracht, um ein elektromagnetisches Feld an die Umgebung der Oberfläche des Katalysators 15 anzulegen, um dadurch die Reaktion desselben einzustellen; es werden Faktoren erfasst, die die Abgas-Reinigungsfunktion des Katalysators 15 beeinflussen; außerdem steuert die Steuereinrichtung 18 das durch das Magnetron angelegte elektromagnetische Feld auf Grundlage der erfassten Faktoren.
  • Beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Dreiwegekatalysator 15 als Abgasreinigungskatalysator in dem Abgaskanal 14 vorhanden, und die Elektroden 22 und 23 sind an diesem Katalysator 15 vorhanden. Jedoch kann anstelle des Dreiwegekatalysators 15 eine NOx-Katalysatoreinheit oder eine THC-Adsorptionskatalysatoreinheit verwendet werden.
  • Wie im Einzelnen beschrieben, ist beim erfindungsgemäßen Abgasreiniger für einen Verbrennungsmotor ein Katalysator zum Reinigen von im Abgas enthaltenen Substanzen in einem Abgaskanal angebracht; eine Reaktionseinstelleinrichtung stellt die katalytische Reaktion durch Anlegen eines elektrischen oder elektromagnetischen Felds an die Umgebung einer Oberfläche des Katalysators ein; eine Statuserfassungseinrichtung erfasst einen Faktor, der das Abgas-Reinigungsvermögen des Katalysators beeinflusst; außerdem steuert eine Steuereinrichtung das durch die Reaktionseinstelleinrichtung angelegte elektrische oder elektromagnetische Feld auf Grundlage des erfassten Faktors. Daher kann stabiles Funktionsvermögen zum Reinigen von Abgas durch eine katalytische Reaktion gewährleistet werden, und es kann elektrische Energie im Vergleich mit Abgasreinigern eingespart werden, bei denen im Abgas enthaltene toxische Komponenten in einen Plasmazustand überführt und direkt zersetzt werden.

Claims (16)

  1. Abgasreiniger mit einem in einem Abgaskanal (14) angeordneten Katalysator (15) zum Reinigen eines Abgases von toxischen Substanzen und einer Einrichtung (22, 23) zum Einstellen der Katalysatorreaktion durch Anlegen eines elektrischen oder elektromagnetischen Felds an die Umgebung einer Oberfläche des Katalysators, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (16, 17) zum Erfassen eines das Abgas-Reinigungsvermögen des Katalysators beeinflussenden Faktors und eine Steuereinrichtung (18) zum Steuern des elektrischen bzw. elektromagnetischen Felds aufgrund des erfassten Faktors.
  2. Abgasreiniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (16, 17) als den das Abgas-Reinigungsvermögen beeinflussenden Faktor einen die Katalysatortemperatur beeinflussenden Parameter, einen das Katalysatorreaktionsvermögen beeinflussenden Parameter, einen eine Beeinträchtigung des Reinigungsvermögens des Katalysators beeinflussenden Parameter und/oder einen das Reinigungsvermögen des Katalysators für eine spezielle Abgaskomponente beeinflussenden Parameter erfasst.
  3. Abgasreiniger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (16, 17) als den die Katalysatortemperatur beeinflussenden Parameter die Temperatur des Abgases, des Motorkühlmittels und/oder des Katalysators erfasst und die Steuereinrichtung (18) das elektrische bzw. elektromagnetische Feld aufgrund des erfassten Parameters einstellt.
  4. Abgasreiniger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (18) aufgrund des erfassten Parameters beurteilt, ob die Katalysatortemperatur in einen Bereich fällt, in dem das Funktionsvermögen des Katalysators beeinträchtigt ist, und gegebenenfalls das elektrische bzw. elektromagnetische Feld erhöht.
  5. Abgasreiniger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (16, 17) als den das Katalysatorreaktionsvermögen beeinflussenden Parameter die Motordrehzahl, die Abgasströmungsrate und/oder die Motorlast erfasst und die Steuereinrichtung (18) aufgrund des erfassten Parameters das elektrische bzw. elektromagnetische Feld einstellt.
  6. Abgasreiniger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (18) aufgrund des erfassten Parameters beurteilt, ob sich der Motor in einem Betriebsbereich befindet, in dem das Funktionsvermögen des Katalysators beeinträchtigt ist, und gegebenenfalls das elektrische bzw. elektromagnetische Feld erhöht.
  7. Abgasreiniger nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (18) das elektrische bzw. elektromagnetische Feld so einstellt, dass es die elektrischen Entladungsgrenzfeldstärke nicht überschreitet.
  8. Abgasreiniger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet., dass die Erfassungseinrichtung (16, 17) als den die Katalysatortemperatur beeinflussenden Parameter die Temperatur des Abgases, des Motorkühlmittels und/oder des Katalysators und als den das Katalysatorreaktionsvermögen beeinflussenden Parameter die Motordrehzahl, die Abgasströmungsrate und/oder die Motorlast erfasst und die Steuereinrichtung (18) aufgrund dieser beiden Parameter das elektrische bzw. elektromagnetische Feld erhöht.
  9. Abgasreiniger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (18) aufgrund des das Katalysatorreaktionsvermögen beeinflussenden Parameters beurteilt, ob sich der Motor in einem Betriebsbereich befindet, in dem das Funktionsvermögen des Katalysators beeinträchtigt ist, aufgrund des die Katalysatortemperatur beeinflussenden Parameters beurteilt, ob die Katalysatortemperatur in einen Temperaturbereich fällt, in dem das Funktionsvermögen des Katalysators erhöht ist, und dann, wenn sich der Motor in einem Be triebsbereich befindet, in dem das Funktionsvermögen des Katalysators beeinträchtigt ist, und die Katalysatortemperatur in einen Temperaturbereich fällt, in dem das Funktionsvermögen des Katalysators erhöht ist, das elektrische bzw. elektromagnetische Feld verringert.
  10. Abgasreiniger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (16, 17) als den die Beeinträchtigung des Katalysator-Reinigungsvermögens beeinflussenden Parameter den Grad einer speziellen Katalysatorvergiftung unter mehreren Katalysatorvergiftungen erfasst und die Steuereinrichtung (18) aufgrund des erfassten Vergiftungsgrades das elektrische bzw. elektromagnetische Feld einstellt.
  11. Abgasreiniger nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (16, 17) als den die Beeinträchtigung des Katalysator-Reinigungsvermögens beeinflussenden Parameter den Grad einer CO-, einer O2-, einer NOx- und/oder einer SOx-Vergiftung erfasst und die Steuereinrichtung (18) dann, wenn der erfasste Grad der speziellen Katalysatorvergiftung einen dafür eingestellten Bezugswert überschreitet, das elektrische bzw. elektromagnetische Feld so einstellt, dass die spezielle Katalysatorvergiftung beseitigt wird, um dadurch den Katalysator zu regenerieren.
  12. Abgasreiniger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (16, 17) als den das Reini gungsvermögen des Katalysators für eine spezielle Abgaskomponente beeinflussenden Parameter die Konzentration der speziellen Abgaskomponente, den Emissionswert der speziellen Abgaskomponente und/oder das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im Abgas erfasst und die Steuereinrichtung (18) aufgrund des erfassten Parameters das elektrische bzw. elektromagnetische Feld einstellt.
  13. Abgasreiniger nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (18) das elektrische bzw. elektromagnetische Felds dann erhöht, wenn sie aufgrund der erfassten Konzentration oder Emissionsmenge der speziellen Abgaskomponente erkennt, dass diese nicht ausreichend durch Reinigen entfernt wurde.
  14. Abgasreiniger nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (18) die Frequenz elektromagnetischer Wellen entsprechend mehreren speziellen Abgaskomponenten sukzessive auf mehrere Werte einstellt, wenn sie aufgrund der erfassten Konzentration oder Emissionsmenge der einzelnen speziellen Abgaskomponenten erkennt, dass diese durch Reinigen nicht ausreichend entfernt wurden.
  15. Abgasreiniger nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (18) das elektrische bzw. elektromagnetische Felds erhöht, wenn sie aufgrund des erfassten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses im Abgas eine Zunahme der Emissionsmenge einer speziellen Abgaskomponente erwartet.
  16. Abgasreiniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (16, 17) Betriebsbedingungen einer Abgas an den Abgaskanal (14) abgebenden Vorrichtung erfasst und die Steuereinrichtung (18) aufgrund dieser Betriebsbedingungen das elektrische bzw. elektromagnetische Feld einstellt, wobei sie Änderungen der Betriebsbedingungen so vorhersagt, dass die Ansprechverzögerung kompensiert wird.
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