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Die
vorliegende Anmeldung betrifft einen Abgasreinigungskatalysator,
der Abgase eines Motors reinigt, sowie eine Motorsteuerung, die
einen Motor steuert, der den Abgasreinigungskatalysator an einer Position
entlang der Länge eines Abgaskanals eines Kraftfahrzeugs
aufweist.
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In
benzin- und dieselbetriebenen Motoren ist eine Abgasreinigung in
einer (als ”Kaltphase” bezeichneten) Niedrigtemperaturperiode,
die andauert, bis der Katalysator seine aktive Temperatur erreicht, ein
großes Problem gewesen.
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Hinsichtlich
der Reinigung von Kohlenwasserstoffen (HC) in einer derartigen Kaltphase
ist beispielsweise in
JP-A-2003-343316 ein
HC-Speicherkatalysator beschrieben, der von einem Motor ausgestoßene
Kohlenwasserstoffe (HC) vorübergehend speichert (absorbiert),
wenn sowohl der Motor als auch der Katalysator sich in einem Niedrigtemperaturzustand
befinden, was beispielsweise unmittelbar nach dem Starten oder Anlassen
des Motors der Fall ist, und anschließend die gespeicherten
Kohlenwasserstoffe (HC) für eine Reinigung desorbiert,
wenn der Motor und der Katalysator aufgewärmt sind.
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Im
japanischen Patentdokument Nr. 3482661 ist
dagegen beispielsweise eine Technik zum Entfernen von Stickoxiden
beschrieben, indem veranlasst wird, dass ein Katalysator, in dem
eine oder mehrere Arten von Übergangsmetallen in einem Zeolith
enthalten sind, der eine MFS-Konstruktion hat, mit Abgasen in Kontakt
gebracht wird, die übermäßig viel Sauer stoff
enthalten, wie beispielsweise Oxide von Stickstoff und Kohlenwasserstoffen.
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Außerdem
wird in
JP-A-5-317649 hinsichtlich
der Reinigung von Stickoxiden (NOx) eine Technik zum Reinigen von
Stickoxiden in Abgasen beschrieben, indem veranlasst wird, dass
Abgase, die übermäßig viel Sauerstoff
enthalten, mit einem Eisen-Zeolith-Katalysator in Kontakt gebracht
werden, der ein Zeolith- und Eisenelement enthält, wobei
das Eisen durch Ionenaustausch für ein Aluminiumelement
in einem Zeolith in einem Molverhältnis von 0,05 bis 0,3
ersetzt ist.
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Damit
Kohlenwasserstoffe in der Kaltphase ohne Verwendung des HC-Speicherkatalysators stark
reduziert werden, ist es wirksam, die Zeitdauer der Kaltphase durch
Realisieren eines schnellen Anstiegs der Katalysatortemperatur zu
verkürzen, während die Erzeugung von Kohlenwasserstoffen
unterdrückt wird. Um dies zu ereichen, wurde vorgeschlagen,
den Zündzeitpunkt zu verzögern und die Motordrehzahl
durch Erhöhen der Ausgangsleistung des Motors zu erhöhen,
nachdem das Luft-/Kraftstoff(A/F)verhältnis derart eingestellt
wurde, dass es magerer ist als ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoffverhältnis.
Die Erzeugung von Kohlenwasserstoffen kann unterdrückt
werden, indem das Luft-/Kraftstoffverhältnis mager gemacht
wird, und der schnelle Anstieg der Katalysatortemperatur kann durch
Verzögern des Zündzeitpunkts und Erhöhen
der Motordrehzahl realisiert werden.
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Wenn
diese Steuerungen ausgeführt werden, muss allerdings die
Zufuhr einer bestimmten Kraftstoffmenge gewährleistet sein,
um die Erhöhung der Motorausgangsleistung zu erhalten,
und außerdem ist, weil das Luft-/Kraftstoffverhältnis
mager gemacht wird, eine erhebliche Erhöhung der Ansaugluftmenge
notwendig. Weil eine erhebliche Erhöhung der Ansaugluftmenge
eine starke Erhöhung der erzeugten NOx-Menge mit sich bringt,
stellt die Reinigung der derart erhöhten NOx-Menge ein
großes Problem dar.
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Daher
sind die im
japanischen Patent
Nr. 3482661 und in
JP-A-5-317649 beschriebenen
Techniken zum Speichern erzeugter Stickoxide (NOx) auch während
der Niedrigtemperaturperiode durch Anwenden des Zeolith-Katalysators,
der das Übergangsmetall enthält, für
die Reinigung von Stickoxiden wirksam. In diesem Fall wird jedoch
die Reinigung von Stickoxiden, die durch den Zeolith-Katalysator
gespeichert und dann davon desorbiert (gereinigt) werden, zu einem
Problem, das es zu lösen gilt.
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Daher
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Abgasreinigungskatalysator
und eine Motorsteuerung bereitzustellen, die eine Unterdrückung
des Ausstoßes von Kohlenwasserstoffen (HC) und Stickoxiden
(NOx) in einer Kaltphase (einer Niedrigtemperaturperiode, die andauert,
bis der Katalysator seine aktive Temperatur erreicht) ermöglichen,
ohne dass ein HC-Speicherkatalysator verwendet wird.
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Um
die vorstehende Aufgabe zu lösen, wird erfindungsgemäß ein
Abgasreinigungskatalysator bereitgestellt, der Abgase eines Motors
reinigt, wobei der Abgasreinigungskatalysator aufweist:
einen
Träger, der mit mehreren Zellenlöchern ausgebildet
ist; und
mehrere katalytische Schichten, die in den mehreren Zellenlöchern
gehalten werden, wobei die mehreren katalytischen Schichten aufweisen:
eine
erste Schicht mit einem Hilfskatalysator, der einen Zeolith mit
einem Übergangsmetall aufweist, das während einer
Niedrigtemperaturperiode Stickoxide (NOx) im Abgas okkludiert; und
eine
benachbart zu einer Oberfläche der ersten Schicht angeordnete
zweite Schicht mit einem Hauptkatalysator, der ein Alkalimetall
und/oder ein Erdalkalimetall aufweist und im Hilfskatalysator okkludierte
Stickoxide (NOx) okkludiert, wenn der Hauptkatalysator seine aktive
Temperatur erreicht hat.
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Die
zweite Schicht kann ferner mindestens eines der Elemente Rhodium,
Platin und Palladium enthalten.
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Das Übergangsmetall
kann Eisen sein.
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Die
Stickoxide können vom Hilfskatalysator zum Hauptkatalysator übertragen
werden, wenn der Hauptkatalysator seine aktive Temperatur erreicht.
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Erfindungsgemäß wird
außerdem eine Steuerung für den Motor bereitgestellt,
wobei die Steuerung aufweist:
den Abgasreinigungskatalysator
gemäß Anspruch 1, der in einem Abgaskanal angeordnet
ist; und
eine Steuereinheit, die dafür konfiguriert
ist, den Motor in einem Betriebsmodus zu steuern, wobei der Betriebsmodus
einen Niedrigtemperaturbetriebsmodus aufweist, in dem, wenn der
Hauptkatalysator während der Niedrigtemperaturperiode aufgewärmt wird,
ein Luft-/Kraftstoffverhältnis derart eingestellt wird,
dass es magerer ist als ein stöchiometrisches Luft-/Kraftstoffverhältnis,
und eine Kraftstoffmenge zugeführt wird, die eine Temperaturerhöhung
des Hauptkatalysators ermöglicht.
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Der
Betriebsmodus kann einen Übergangsmodus aufweisen, in dem
das Luft-/Kraftstoffverhältnis derart eingestellt ist,
dass das Luft-/Kraftstoffverhältnis bei einer Temperatur,
bei der die im Hauptkatalysator okkludierten Stickoxide (NOx) davon
desorbiert werden und die Stickoxide vom Hilfskatalysator zum Hauptkatalysator übertragen
wird, magerer ist als das stöchiometrische Luft-/Kraftstoffverhältnis.
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Der
Betriebsmodus kann ferner einen Reduktionbetriebsmodus aufweisen,
in dem eine NOx-Menge geschätzt wird, die in einem NOx-Okklusionsmittel
im Hauptkatalysator okkludiert werden soll, wobei, wenn die geschätzte
NOx-Menge eine vorgegebene Menge erreicht, ein Reduktionsmittel
in den Hauptkatalysator eingeleitet wird, so dass die Stickoxide
(NOx) vom Hauptkatalysator reduziert werden.
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Nachstehend
werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter
Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt
eine Querschnittansicht zum Darstellen eines Teils einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Abgasreinigungskatalysators;
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2 zeigt
ein Blockdiagramm zum Darstellen eines Motors und seines Abgassystems
gemäß der Ausführungsform der Erfindung;
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3A und 3B zeigen
Ablaufdiagramme zum Beschreiben der Steuerung des Motors, der den
Abgasreinigungskatalysator aufweist, und der Funktion des Abgasreinigungskatalysators;
und
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4 zeigt
einen Graphen zum Erläutern der Funktion des Abgasreinigungskatalysators.
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Nachstehend
wird eine Ausführungsform der Erfindung basierend auf den
Zeichnungen beschrieben.
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Die 1 bis 4 zeigen
Zeichnungen zum Darstellen einer Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Abgasreinigungskatalysators.
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Motor und sein Abgassystem
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Zunächst
werden ein Motor, der eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Abgasreinigungskatalysators (Abgasemissionssteuerungsvorrichtung)
aufweist, und ein Abgassystem des Motors beschrieben. Wie in 2 dargestellt
ist, ist der Motor ein Fahrzeugmotor, der in einem Kraftfahrzeug
installiert ist und einen Motorhauptkörper 1 mit
Verbrennungskammern und einen Abgaskanal 2 zum Ausstoßen
von Abgasen aufweist, die infolge der Verbrennung im Motorhauptkör per 1 erzeugt
werden, wobei die Ausführungsform des Abgasreinigungskatalysators
(Abgasemissionssteuerungsvorrichtung) 10 an einer Position
entlang der Länge des Abgaskanals 2 installiert
ist.
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Außerdem
ist der Motor ein Benzinmotor und weist eine Steuerung 20 zum
Steuern der Kraftstoffeinspritzmenge, der Ansaugluftmenge, des Zündzeitpunkts
und ähnlicher Parameter auf. Außerdem werden als
Lauf- oder Betriebsmodi dieses Motors ein stöchiometrischer
Betriebsmodus, in dem die rückgekoppelte Motorsteuerung
derart betrieben wird, dass das Luft-/Kraftstoffverhältnis
in der Nähe eines stöchiometrischen Luft-/Kraftstoffverhältnisses
gehalten wird, und ein magerer Betriebsmodus bereitgestellt, in
dem das Luft-/Kraftstoffverhältnis magerer (dünner)
gemacht wird als das stöchiometrische Luft-/Kraftstoffverhältnis,
so dass die offene Motorsteuerung mit einer übermäßigen
Sauerstoffmenge betrieben wird.
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Daher
weist die Steuerung 20 eine Motorsteuereinheit 21 zum
Steuern der Kraftstoffeinspritzmenge, der Ansaugluftmenge, des Zündzeitpunkts und ähnlicher
Parameter und eine Betriebsmodussetzeinheit 22 zum Auswählen
des stöchiometrischen Betriebsmodus basierend auf Motorbetriebszuständen,
wie beispielsweise der Motordrehzahl und der Motorlast (z. B. eines
Drosselklappenöffnungsgrades oder eines auf dem Drosselklappenöffnungsgrad
basierenden Parameters) auf, wenn die Motorausgangsleistungsanforderung
größer oder gleich einem Bezugswert ist, und zum
Auswählen des mageren Betriebsmodus, wenn die Motorausgangsleistunganforderung
kleiner ist als der Bezugswert. Die Motorsteuereinheit 21 steuert
die Kraftstoffeinspritzmenge, die Ansaugluftmenge, den Zündzeitpunkt
und ähnliche Parameter basierend auf dem Motorbetriebszustand
und dem durch die Betriebsmodussetzeinheit 22 ausgewählten
Motorbetriebsmodus.
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Außerdem
wird, wenn der Motor sich während einer Niedrigtemperaturperiode,
die auftritt, bevor der Hauptkatalysator seine aktive Temperatur
erreicht (in einer Kaltphase), im Leerlaufzustand befindet, veranlasst,
dass die Betriebsmodussetzeinheit 22 den mageren Betriebsmodus
auswählt, und veranlasst, dass die Motorsteuereinheit 21 eine
Kraftstoffmenge zuführt, die eine erforderliche Temperaturerhöhung
des Hauptkatalysators ermöglicht, um die Kraftstoffverbrennungswärme
im Motor zu erhöhen (und dadurch auch die Motordrehzahl
zu erhöhen), und den Zündzeitpunkt verzögert,
um das Aufwärmen des Hauptkatalysators zu unterstützen.
Außerdem kann anhand der durch einen Temperatursensor 31 zum
Erfassen der Temperatur des Katalysators erfassten Temperaturinformation
bestimmt werden, ob sich der Katalysator in der Kaltphase befindet
oder nicht, indem, wenn die Katalysatortemperatur Tc ein Bezugswert
Tc0 ist, entschieden wird, dass sich der Katalysator in der Kaltphase
befindet.
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Außerdem
weist die Steuerung 20 eine NOx-Okklusionsmengenschätzeinheit 23 zum
Bestimmen einer okkludierten NOx-Menge durch ein herkömmliches
Verfahren auf, um eine Verminderung der NOx-Okklusionsleistung zu
vermeiden, die auftritt, wenn die durch ein später beschriebenes NOx-Okklusionsmittel
okkludierte NOx-Menge zunimmt. Außerdem wird, wenn die
durch die NOx-Okklusionsmengenschätzeinheit 23 geschätzte NOx-Okklusionsmenge
eine vorgegebene Menge erreicht, ein Reduktionsmittel in das NOx-Okklusionsmittel
eingeleitet, so dass Stickoxide (NOx) reduziert und vom NOx-Okklusionsmittel
desorbiert werden, wodurch die NOx-Okklusionsleistung wiedergewonnen
wird. Daher wird der Reduktionsmodus als einer der Betriebsmodi
des Motors bereitgestellt, und es wird veranlasst, dass die Betriebsmodussetzeinheit 22 den
Reduktionsmodus basierend auf Information von der NOx-Okklusionsmengenschätzeinheit 23 setzt.
Außerdem wird hierbei im Reduktionsmodus Kraftstoff als
Reduktionsmittel eingeleitet. D. h., indem das Luft-/Kraftstoffverhältnis
fett gemacht wird, wird veranlasst, dass CO, HC und H2 erzeugt
werden, so dass der Kraftstoff als Reduktionsmittel dient.
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Abgasreinigungskatalysator
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Ein
Abgasreinigungskatalysator 10 weist einen im Inneren eines
Katalysatorgehäuses montierten Träger auf, und
der Träger weist eine große Anzahl von Zellenlöchern
auf, die eine Wabenstruktur bilden. Der Träger weist einen
Hilfskatalysator zum Reinigen von Abgasen, wenn der Motor 1 und
der Katalysator 10 sich in der Kaltphase befinden, und den
Hauptkatalysator zum Reinigen von Abgasen nach der Kaltphase auf.
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1 zeigt
eine vergrößerte Schnittansicht eines im Träger 11 ausgebildeten
Zellenlochs. Der Träger 11 besteht beispielsweise
aus Cordierit oder rostfreiem Stahl, und der Träger 11 weist
eine Innenschicht 12 mit einer Funktion als Hilfskatalysator
und eine Außenschicht 14 mit einer Funktion als
Hauptkatalysator auf, wobei die Schichten in der genannten Folge
nacheinander laminatförmig auf dem Träger angeordnet
sind. D. h., die (auch als untere Schicht bezeichnete). Innenschicht 12 ist
auf den Oberflächen der Zellenlöcher im Träger 11 angeordnet,
und die (auch als obere Schicht bezeichnete) Außenschicht 14 ist
auf der Oberfläche der Innenschicht 12 angeordnet.
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Die
Innenschicht 12 ist benachbart zu den Oberflächen
der Zellenlöcher angeordnet und weist den Hilfskatalysator
auf, der als Hauptbestandteil einen Zeolith aufweist, der ein Übergangsmetallelement
enthält. Hierbei weist der Hilfskatalysator als Hauptbestandteil
einen Zeolith auf, der Eisen (Fe) als Übergangsmetallelement
enthält. Nachstehend wird der Katalysator, der aus einem
Zeolith besteht, der Eisen enthält, als Eisen-Zeolith-Katalysator
bezeichnet.
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Im
Allgemeinen hat der Zeolith eine Zusammensetzung, die durch xM2/nO·Al2O3·ySiO2·zH2O dargestellt wird (wobei n eine Valenz
eines positiven Ions, x eine Zahl im Bereich von 0,8 bis 1,2, y
eine Zahl von 2 oder mehr und z eine Zahl von 0 oder mehr bezeichnen).
Im Fall des Eisen-Zeolith-Katalysators ist ein Eisenelement jedoch
durch Ionenaustausch für ein Aluminiumelement im Zeolith
ersetzt. Außerdem ist ein Zeolith, der das Übergangsmetallelement
aufweist, ein Zeolith, in dem ein Übergangsmetallelement
durch Ionenaustausch für ein Aluminiumelement im Zeolith
ersetzt ist.
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Der
vorstehend beschriebene Zeolith, der das Übergangsmetallelement
aufweist, besitzt die Fähigkeit, Stickoxide (NOx) auch
bei relativ niedrigen Temperaturen zu speichern, wobei der Zeolith,
der das Eisenelement enthält, in besonders hohem Maße
dazu in der Lage ist, Stickoxide bei relativ niedrigen Temperaturen
zu speichern.
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Die
Außenschicht 14 enthält Barium oder Kalium,
das ein Erdalkalimetall ist, und enthält außerdem
Rhodium, Platin und Palladium. Die Außenschicht 14 hat
eine Funktion als NOx-Okklusionsmittel, das Stickoxide in einem
vorgegebenen aktiven Temperaturbereich okkludiert.
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D.
h., indem das NOx-Okklusionsmittel so nahe wie möglich
in Kontakt mit dem Eisen-Zeolith-Katalysator in der Innenschicht 12 angeordnet wird,
werden, nachdem gespeicherte Stickoxide vom Eisen-Zeolith-Katalysator
desorbiert worden sind, die derart desorbierten Stickoxide durch
das NOx-Okklusionsmittel gespeichert, um seine Abgabe in die Atmosphäre
zu unterdrücken. Außerdem wird, weil die jeweiligen
Edelmetalle Rhodium, Platin und Palladium eine Funktion zum Reduzieren
von Stickoxiden haben, auch wenn vom Eisen-Zeolith-Katalysator desorbierte
Stickoxide durch das NOx- Reduktionsmittel nicht gespeichert werden,
diese nicht gespeicherten Stickoxide zu harmlosem Stickstoff reduziert. Insbesondere
kann, weil Rhodium eine hohe NOx-Reduktionsfunktion hat, indem Rhodium
in unmittelbarer Nähe des Eisen-Zeolith-Katalysator angeordnet
wird, veranlasst werden, dass Rhodium auf eine sichere Weise auf
die desorbierten Stickoxide (NOx) einwirkt, so dass die NOx-Reduktionsfunktion verbessert
werden kann.
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Funktionsweise und Vorteil
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Weil
die Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Abgasreinigungskatalysators die vorstehend beschriebene Konfiguration
hat, wird die Reinigung von Abgasen in der Kaltphase auf die in
den 3A und 3B dargestellte
Weise implementiert.
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Zunächst
wird, wie in 3A dargestellt ist, bestimmt,
ob sich der Katalysator in der Kaltphase und der Motor im Leerlaufzustand
befindet oder nicht (Schritt S10). Ob sich der Katalysator in der
Kaltphase befindet oder nicht kann basierend auf der Katalysatortemperatur
oder einem ähnlichen Parameter bestimmt werden, und ob
sich der Motor im Leerlaufzustand befindet oder nicht kann basierend
auf dem Drosselklappenöffnungsgrad oder einem ähnlichen Parameter
bestimmt werden.
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Hierbei
wird, wenn festgestellt wird, dass der Katalysator sich in der Kaltphase
und der Motor sich im Leerlaufzustand befindet, der Motorbetriebsmodus
auf den mageren Betriebsmodus gesetzt, und die Kraftstoffmenge,
die eine Temperaturerhöhung des Hauptkatalysators ermöglicht,
wird zugeführt (um eine geeignete Ausgangsleistung des
Motors zu gewährleisten), so das die Kraftstoffverbrennungswärme
im Motor erhöht wird (um auch die Motordrehzahl zu erhöhen)
(Schritt S20, Niedrigtemperaturbetriebsmodus). Darüber
hin aus wird der Zündzeitpunkt verzögert, um das
Aufwärmen des Hauptkatalysators zu unterstützen.
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Die
Erzeugung von Kohlenwasserstoffen (HC), die in der Kaltphase tendenziell
erzeugt werden, kann unterdrückt werden, indem veranlasst wird,
dass der Motor im mageren Betriebsmodus betrieben wird. Die Kraftstoffverbrennungswärme
im Motor kann erhöht werden, indem die Motordrehzahl erhöht
wird, während eine geeignete Motorausgangsleistung gewährleistet
und der Zündzeitpunkt verzögert wird, um das Aufwärmen
des Hauptkatalysators zu unterstützen, wodurch die Zeitdauer
der Kaltphase verkürzt werden kann.
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Obwohl
die auf die vorstehend beschriebene Weise ausgeführte Motorsteuerung
wirksam ist, um die Freisetzung von Kohlenwasserstoffen (HC) zu unterdrücken,
nimmt die Erzeugung von Stickoxiden (NOx) im Abgas wesentlich zu.
Weil jedoch der Eisen-Zeolith-Katalysator Stickoxide (NOx) einfängt bzw.
speichert (Schritt S40), wenn der Katalysator eine niedrige Temperatur
hat, die kleiner oder gleich einem oberen Speichertemperatur-Grenzwert
ist (normalerweise etwa 100°C) (JA-Verzweigung in Schritt
S30), wird die Freisetzung von Stickoxiden in die Atmosphäre
unterdrückt.
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Außerdem
werden, wenn die Temperatur des Eisen-Zeoliths zunimmt (NEIN-Verzweigung
in Schritt-S30), obwohl Stickoxide vom Eisen-Zeolith-Katalysator
desorbiert werden (Schritt S50), durch Steuern des Motors im mageren
Betriebsmodus als Modus zum Übertragen desorbierter Stickoxide
(Übergangsmodus) (Schritt S52) die desorbierten Stickoxide
durch das NOx-Okklusionsmittel auf der Außenschicht 14 gespeichert,
die benachbart zur Vorderflächenseite der Innenschicht 12 angeordnet ist,
die den Eisen-Zeolith-Katalysator enthält. Daher wird auch
die Freisetzung desorbierter Stickoxide in die Atmosphäre
unterdrückt. Außerdem werden, weil Rhodium, Platin
und Palladium, die den Dreiwegekatalysator bilden, ebenfalls in
der Außenschicht 14 enthalten sind, Stickoxide,
die durch das NOx-Okklusionsmittel nicht gespeichert werden konnten,
durch diese Edelmetalle (insbesondere Rhodium) reduziert, so dass
sie in harmlosen Stickstoff umgewandelt werden. Dies trägt
ebenfalls dazu bei, die Freisetzung desorbierter Stickoxide in die
Atmosphäre zu unterdrücken.
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Dann
wird nach der Kaltphase der normale Betriebsmodus ausgewählt,
d. h. ein Betriebsmodus, der dem Motorbetriebszustand entspricht
(Schritt S70), in dem die Reinigung von durch den Motor erzeugten
Abgasen durch den Hauptkatalysator ausgeführt wird, d.
h., durch Rhodium, Platin und Palladium in der Außenschicht 14.
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Andererseits
wird, weil die NOx-Okklusionsleistung des Hauptkatalysators abnimmt,
wenn die durch das NOx-Okklusionsmittel okkludierte NOx-Menge zunimmt,
wie in 3B dargestellt ist, eine durch
ein herkömmliches Verfahren geschätzte NOx-Okklusionsmenge
mit einer vorgegebenen Menge verglichen (Schritt S80). Wenn festgestellt wird,
dass die NOx-Okklusionsmenge die vorgegebene Menge erreicht hat,
wird für eine vorgegebene Zeitdauer eine Steuerung zum
Einleiten eines Reduktionsmittels in den Hauptkatalysator ausgeführt (hierbei
wird veranlasst, dass, indem das Luft-/Kraftstoff(A/F)verhältnis
fett gemacht wird, CO3 HC und H2 als
Reduktionsmittel verwendet werden) (Schritt S90, Reduktionsbetriebsmodus).
Als Steuerung zum Einleiten des Reduktionsmittels in den Hauptkatalysator kann
veranlasst werden, dass der Motor auf eine stöchiometrische
Weise betrieben wird. Wenn die NOx-Okklusionsmenge die vorgegebene
Menge nicht erreicht, oder wenn die Steuerung zum Einleiten des
Reduktionsmittels in den Hauptkatalysator abgeschlossen ist, wird
der normale Betriebsmodus ausgewählt, d. h. ein dem Motorbetriebszustand
entsprechender Betriebsmodus (Schritt S70).
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Indem
der Reduktionsmodus auf die vorstehend beschriebene Weise ausgeführt
wird, wird die NOx-Okklusionsleistung des NOx-Okklusionsmittels wiedergewonnen,
so dass die NOx-Okklusion auf eine verbesserte Weise ausgeführt
wird, wodurch die Freisetzung von Stickoxiden (NOx) in die Atmosphäre
unterdrückt wird.
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4 zeigt
einen Graphen zum Darstellen der NOx-Menge, die von einem Katalysator
erzeugt wird, der nur einen Hauptkatalysator aufweist, und der NOx-Menge,
die von einem Katalysator, wie beispielsweise dem erfindungsgemäßen
Katalysator, erzeugt wird, bei dem eine Innenschicht 12,
die einen Hilfskatalysator (einen Eisen-Zeolith-Katalysator) aufweist,
auf einer Außenschicht 13 angeordnet ist, die
einen Hauptkatalysator aufweist, zusammen mit einem Luft-/Kraftstoff(A/F)verhältnis
und einer Katalysatortemperatur, wenn ein Fahrzeug, das einen Motor
aufweist, gemäß einem vorgegebenen Antriebsmodus
(mit einer vorgegebenen Fahrzeuggeschwindigkeit Vs) angetrieben
wird, nachdem der Motor in einem kalten Zustand gestartet worden
ist.
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Das
Fahrzeug steht, während der Motor sich im Leerlauf dreht,
bis zum Ablauf von ca. 30 Sekunden, nachdem der Motor im kalten
Zustand gestartet worden ist, still, und anschließend wird
das Fahrzeug auf einen vorgegebenen Geschwindigkeitsbereich beschleunigt
und dann bis zum Stillstand abgebremst. Dann wird das Fahrzeug erneut
beschleunigt und verzögert, und dieser Zyklus wird wiederholt. Wenn
der Motor sich im Leerlaufzustand befindet, nachdem der Motor im
kalten Zustand gestartet worden ist, d. h. in einem Zustand, in
dem der Katalysator sich in der Kaltphase befindet und der Motor
sich im Leerlauf dreht, wird der Motorbetriebsmodus auf den mageren
Betriebsmodus eingestellt, und es wird eine Kraftstoffmenge zugeführt,
die eine Temperaturerhöhung des Hauptkatalysators ermöglicht,
und der Zündzeitpunkt wird verzögert, so dass
ein Aufwärmen des Hauptkatalysators unterstützt
wird, während die Erzeugung von Kohlenwasserstoffen (HC) unterdrückt
wird.
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In
der Kaltphase wird, wie ersichtlich ist, wenn der Katalysator nur
aus dem Hauptkatalysator besteht, eine große NOx-Menge
erzeugt, wobei die derart erzeugten Stickoxide (NOx) unverändert
in die Atmosphäre freigesetzt werden. Wenn der Katalysator
den Hilfskatalysator aufweist (den Eisen-Zeolith-Katalysator), der
dem Hauptkatalysator erfindungsgemäß hinzugefügt
ist, wird die NOx-Menge am Katalysatorauslass im Vergleich zum Katalysatoreinlass
in hohem Maße vermindert, so dass ersichtlich ist, dass
Stickoxide (NOx) durch den Eisen-Zeolith-Katalysator gespeichert
werden und die in die Atmosphäre freigesetzte NOx-Menge
wesentlich vermindert wird.
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Außerdem
nimmt anschließend, wenn das Fahrzeug anfährt,
indem der Motorbetriebsmodus vom mageren Betriebsmodus auf den stöchiometrischen
Betriebsmodus geschaltet wird, die Katalysatortemperatur allmählich
zu, so dass die durch den Eisen-Zeolith-Katalysator gespeicherten
Stickoxide beginnen davon desorbiert zu werden. Daher nimmt, wenn
das NOx-Okklusionsmittel nicht in der Lage ist, die Stickoxide zu
speichern, obwohl die NOx-Menge am Katalysatoreingang vermindert
ist, die NOx-Menge am Katalysatorausgang zu, wie durch eine gestrichelte
Linie in 4 dargestellt ist. Durch die
Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Katalysators wird jedoch, weil vom Eisen-Zeolith-Katalysator desorbierte
Stickoxide durch das NOx-Okklusionsmittel gespeichert werden, eine
Erhöhung der NOx-Menge am Katalysatorausgang unterdrückt,
wie durch eine dicke durchgezogene Linie in 4 dargestellt
ist.
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Daher
kann erfindungsgemäß die Freisetzung von Kohlenwasserstoffen
(HC) und Stickoxiden (NOx) in die Atmosphäre auf die vorstehend
beschriebene Weise wesentlich vermindert werden, ohne dass ein HC-Speicherkatalysator
verwendet wird.
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Daher
ist, obwohl vorstehend eine spezifische Ausführungsform
der Erfindung beschrieben worden ist, die Erfindung nicht auf diese
Ausführungsform beschränkt, sondern kann innerhalb
des Schutzumfangs der Erfindung modifiziert werden.
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Beispielsweise
können in der Ausführungsform, obwohl Zeolith,
das das Eisenelement aufweist und auch bei niedrigen Temperaturen
eine hohe NOx-Speicherkapazität besitzt, als das Zeolith
dargestellt wurde, das das Übergangsmetall enthält,
als das im Zeolith enthaltene Übergangsmetall auch andere Übergangsmetalle
verwendet werden, wie beispielsweise Kupfer, Chrom, Mangan, Kobalt,
Nickel und Zink.
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Außerdem
muss das NOx-Okklusionsmittel (der NOx-Okklusionskatalysator) in
der Außenschicht 14 nur ein Alkalimetall und/oder
ein Erdalkalimetall aufweisen.
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Außerdem
kann, obwohl die Ausführungsform der Erfindung gemäß der
vorstehenden Beschreibung spezifisch auf einen Benzinmotor angewendet
wird, die Erfindung auch auf einen Dieselmotor mit einem NOx-Okklusionskatalysator
angewendet werden.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung werden während der Niedrigtemperaturperiode,
die auftritt, bevor der Hauptkatalysator seine aktive Temperatur erreicht
(in der Kaltphase) erzeugte Stickoxide (NOx) im Abgas durch den
Zeolith gespeichert, der das Übergangsmetallelement enthält
und in der Innenschicht der mehreren Katalysatorschichten enthalten ist,
wodurch die Freisetzung von Stickoxiden unterdrückt wird.
Anschließend, d. h. nachdem der Hauptkatalysator seine
Anspringtemperatur (Light-off Temperature) erreicht hat, werden
Stickoxide vom Zeolith freigesetzt, und die derart freigesetzten
Stickoxide werden dann durch das im Hauptkatalysa tor enthaltene
NOx-Okklusionsmittel okkludiert, d. h. durch ein Alkalimetall und/oder
ein Erdalkalimetall, das die Funktion hat, im Hilfskatalysator okkludierte
Stickoxide zu okkludieren. Infolgedessen kann die Freisetzung von
in der Kaltphase erzeugten Stickoxiden in die Atmosphäre
wesentlich vermindert werden.
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Außerdem
steht, weil der Zeolith, der das Übergangsmetallelement
enthält, in der Innenschicht angeordnet ist und die Außenschicht
auf der Oberfläche der Innenschicht angeordnet ist, der
Zeolith der Innenschicht nicht in direktem Kontakt mit dem Abgasstrom,
so dass ein Vorteil dahingehend erhalten wird, dass die Gefahr vermindert
ist, dass Stickoxide, die im Zeolith gespeichert sind, in den Abgasstrom diffundieren
und freigesetzt werden.
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Außerdem
kann durch die Motorsteuerung in der Kaltphase, indem das Luft-/Kraftstoffverhältnis derart
eingestellt wird, dass es magerer wird als das stöchiometrische
Luft-/Kraftstoffverhältnis, und eine Kraftstoffmenge zugeführt
wird, die die erforderliche Temperaturerhöhung zum Aufwärmen
des Hauptkatalysators ermöglicht, die Temperatur des Katalysators
erhöht werden, während die Erzeugung von Kohlenwasserstoffen
(HC) unterdrückt wird, indem der Motor im mageren Betriebsmodus
betrieben wird, um die Zeitdauer der Kaltphase zu verkürzen.
Obwohl dieses Verfahren zum Unterdrücken des Ausstoßes von
Kohlenwasserstoffen (HC) wirksam ist, wird die Erzeugung von Stickoxiden
(NOx) im Abgas wesentlich erhöht. Durch Verwendung des
erfindungsgemäßen Abgasreinigungskatalysators
kann die Freisetzung von Stickoxiden in die Atmosphäre
jedoch erheblich vermindert werden, wodurch die Freisetzung von
Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden in die Atmosphäre in
der Kaltphase wesentlich vermindert werden kann, ohne dass ein HC-Speicherkatalysator erforderlich
ist.
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Außerdem
kann durch Einstellen des Luft-/Kraftstoffverhältnisses
derart, dass es magerer wird als das stöchiometrische Luft-/Kraftstoffverhältnis,
bei der Temperatur, bei der Stickoxide vom in der Innenschicht enthaltenen
Zeolith für eine Übertragung der Stickoxide vom
Hilfskatalysator zum Hauptkatalysator freigesetzt werden, die Freisetzung
von Stickoxiden in die Atmosphäre auch dann wesentlich vermindert
werden, wenn der Motor im mageren Betriebsmodus betrieben wird.
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Außerdem
kann, obwohl die NOx-Okklusionsleistung vermindert ist, wenn die
im NOx-Okklusionsmittel okkludierte NOx-Menge zunimmt, indem veranlasst
wird, dass das Reduktionsmittel in den Hauptkatalysator eingeleitet
wird, um Stickoxide (NOx) zu reduzieren, wenn die geschätzte
NOx-Okklusionsmenge die vorgegebene Menge erreicht hat, die NOx-Okklusionsleistung
wiedergewonnen werden.
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Außerdem
können, indem veranlasst wird, dass die Außenschicht
zusätzlich zu einem Alkalimetall und/oder einem Erdalkalimetall,
die Stickoxide okkludieren, mindestens eines der Elemente Rhodium,
Platin und Palladium enthält, die als Katalysatoren dienen,
die NOx-Okklusionsfunktion und die NOx-Reinigungsfunktion im Abgasreinigungskatalysator
gemeinsam bereitgestellt werden, so dass die Abgasreinigungssteuerungsvorrichtung
kompakt konfigurierbar ist. Außerdem können, auch
wenn vom Zeolith desorbierte Stickoxide nicht im NOx-Okklusionsmittel
okkludiert werden, Stickoxide durch die Reduktionswirkung von Rhodium,
Platin oder Palladium reduziert und für eine Freisetzung
gereinigt werden, so dass die Verminderung der in die Atmosphäre
freigesetzten NOx-Menge unterstützt werden kann. Insbesondere
kann die NOx-Reduktion und Reinigung durch in der Außenschicht
enthaltenes Rhodium unterstützt werden, indem die hochgradig reduzierende
Funktion von Rhodium genutzt wird.
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Außerdem
kann, indem veranlasst wird, dass die Innenschicht aus dem Katalysator
besteht, der als Hauptbestandteil Zeolith aufweist, der Eisen enthält,
weil der Zeolith, der Eisen enthält, Stickoxide (NOx) in
der Kaltphase auf eine sichere Weise speichert, die Freisetzung
von in der Kaltphase erzeugten Stickoxiden (NOx) in die Atmosphäre
auf eine sichere Weise vermindert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2003-343316
A [0003]
- - JP 3482661 [0004, 0008]
- - JP 5-317649 A [0005, 0008]