DE112007003166T5

DE112007003166T5 - Auslassemissionssteuerapparat für Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE112007003166T5
Application number: DE112007003166T
Authority: DE
Inventors: Hirohito Hirata; Masaya Ibe; Mayuko Osaki; Masaya Kamada
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2007-12-20
Publication date: 2009-11-26
Also published as: JP2008163871A; CN101573514A; US20100043406A1; WO2008081735A1

Abstract

Auslassemissionssteuerapparat für einen Verbrennungsmotor, umfassend:
einen NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp, welcher in einem Auslassweg des Verbrennungsmotors positioniert ist; und
eine Ozonzufuhreinrichtung, welche Ozon zuführt, so dass sich das Ozon mit einem in den NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp strömenden Abgas mischt;
wobei der NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp eine Zelle, in welcher das Abgas strömt, beinhaltet, wobei eine innere Oberfläche der Zelle mit einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht überzogen ist, wobei die erste Schicht und die zweite Schicht in der genannten Reihenfolge von der inneren Oberfläche der Zelle bereitgestellt sind, die erste Schicht eine NOx-Rückhaltesubstanz enthält, die zweite Schicht ein Edelmetall beinhaltet und den Durchgang von NOx zulässt, die Menge der NOx-Rückhaltesubstanz in der zweiten Schicht kleiner ist als die in der ersten Schicht.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Auslassemissionssteuerapparat für einen Verbrennungsmotor.
Stand der Technik
Es ist bekannt, dass ein konventioneller Auslassemissionssteuerapparat, der z. B. in JP-A-2002-89246 offenbart ist, einen NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp beinhaltet. Wenn der konventionelle Auslassemissionssteuerapparat verwendet wird, ist ein Auslassweg eines Verbrennungsmotors mit einem Katalysator und mit einer Substanz, die in der Lage ist, NOx zu okkludieren (nachfolgend auch als „NOx-Rückhaltesubstanz” bezeichnet), ausgestattet. Solch ein Aufbau ist so gebildet, dass NOx in einem Abgas durch den NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp in einer mageren Atmosphäre okkludiert wird, und das okkludierte NOx in einer fetten Atmosphäre abgegeben, reduziert und zersetzt wird.
Um zu gewährleisten, dass die obige Reaktion reibungslos stattfindet, ist es bevorzugt, dass der Katalysator seine Aktivierungstemperatur erreicht und seine Aktivierungsfunktion voll ausbildet. Wenn ein Verbrennungsmotor seinen Betrieb aufnimmt, ist die Katalysatortemperatur allerdings niedrig. Daher begegnet der konventionelle Auslassemissionssteuerapparat dem obigen Problem durch Zugeben von Ozon (O₃) zu dem Abgas bei der Betriebsaufnahme des Verbrennungsmotors. Das Zugeben von Ozon zu dem Abgas oxidiert NOx in dem Abgas, um eine NOx-Okklusionsreaktion zu beschleunigen. Selbst wenn der Katalysator, z. B. während der Betriebsaufnahme des Verbrennungsmotors, nicht vollständig aktiv ist, ermöglicht es die Verwendung der oben beschriebenen konventionellen Technologie folglich, eine NOx-Okklusion zu beschleunigen und das Abgas zu reinigen.

Patentdokument 1: JP-A-2002-89246
Patentdokument 2: JP-A-1993-192535
Patentdokument 3: JP-A (PCT) Nr. 539295/2005
Patentdokument 4: JP-A-1994-185343
Patentdokument 5: JP-A-1998-169434
Patentdokument 6: Japanisches Patent Nr. 3551346

Offenbarung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Mittlerweile wird der oben beschriebene NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp so gebildet, dass eine Schicht, die einen Katalysator und eine NOx-Rückhaltesubstanz enthält, auf ein Grundmaterial (welches auch als ein Träger bezeichnet werden kann) beschichtet wird. Diese Art eines NOx-Katalysators vom Okklusions-Reduktionstyp neigt dazu, ein kleineres Abgasreinigungsvermögen (ein kleineres Vermögen, NOx, HC und CO zu entfernen) aufzuweisen als ein konventioneller Dreiwegekatalysator ohne eine NOx-Rückhaltesubstanz. Das heißt, dass die Abgasreinigungsfunktion des oben beschriebenen NOx-Katalysators vom Okklusions-Reduktionstyp gehemmt ist.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um das obige Problem zu lösen. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Auslassemissionssteuerapparat bereitzustellen, der mit einem Verbrennungsmotor verwendet wird, um NOx zu okkludieren und zureduzieren, ohne die Abgasreinigungsfunktion des Katalysators zu hemmen.
Mittel zum Lösen des Problems
Um den oben genannten Zweck zu erzielen, ist der erste Aspekt der Erfindung ein Auslassemissionssteuerapparat für einen Verbrennungsmotor, umfassend:
einen NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp, welcher in einem Auslassweg des Verbrennungsmotors positioniert ist; und
eine Ozonzufuhreinrichtung, welche Ozon zuführt, so dass sich das Ozon mit einem in den NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp strömenden Abgas mischt;
wobei der NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp eine Zelle, in welcher das Abgas strömt, beinhaltet, wobei eine innere Oberfläche der Zelle mit einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht überzogen ist, wobei die erste Schicht und die zweite Schicht in der genannten Reihenfolge von der inneren Oberfläche der Zelle bereitgestellt sind, die erste Schicht eine NOx-Rückhaltesubstanz enthält, die zweite Schicht ein Edelmetall beinhaltet und den Durchgang von NOx zulässt, die Menge der NOx-Rückhaltesubstanz in der zweiten Schicht kleiner ist als die in der ersten Schicht.
Der zweite Aspekt der Erfindung ist der Auslassemissionssteuerapparat nach dem ersten Aspekt, wobei die Menge der in der zweiten Schicht enthaltenen NOx-Rückhaltesubstanz im Wesentlichen null ist.
Der dritte Aspekt der Erfindung ist der Auslassemissionssteuerapparat nach dem ersten oder dem zweiten Aspekt, ferner umfassend:
eine Ozonzufuhrmengeneinstelleinrichtung zum Einstellen einer Ozonzufuhrmenge, so dass das Molverhältnis von Ozon zu Stickstoffmonoxid (NO) in einer in den NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp strömenden Gasmischung größer als 1 ist.
Der vierte Aspekt der Erfindung ist der Auslassemissionssteuerapparat nach dem dritten Aspekt, wobei die Ozonzufuhrmengeneinstelleinrichtung die Ozonzufuhrmenge so einstellt, dass das Molverhältnis von Ozon (O₃) zu Stickstoffmonoxid (NO) in der in den NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp strömenden Gasmischung nicht kleiner als 2 ist.
Vorteile der Erfindung
Entsprechend dem ersten Aspekt der Erfindung sind eine NOx-Rückhalteschicht und eine Katalysatorschicht unabhängig voneinander gebildet. Daher kann der Katalysator seine Abgasreinigungsfunktion richtig ausbilden. Es wird angenommen, dass die NOx-Rückhaltesubstanz ein Katalysatorgift für ein Edelmetallelement ist und ein Faktor des Verringerns des Abgasreinigungsvermögens des Katalysators ist. Der erste Aspekt der Erfindung bildet die NOx-Rückhalteschicht und die Katalysatorschicht unabhängig in einer Schichtform und beschleunigt eine NOx-Okklusionsreaktion durch eine Ozonzugabeeinrichtung, ohne auf die Katalysatorschicht zurückzugreifen. Dies ermöglicht es, NOx zu okkludieren und zu reduzieren, während die NOx-Rückhaltesubstanz davon abgehalten wird, als ein Katalysatorgift zu wirken, um die Abgasreinigungsfunktion des Katalysators intakt zu halten.
Der zweite Aspekt der Erfindung ermöglicht es, den Einfluss des Katalysatorgifts mit höherer Effektivität als bei dem ersten Aspekt zu unterdrücken.
Entsprechend dem dritten Aspekt der Erfindung kann NO in dem Abgas oxidiert werden, um NO₃, N₂O₅ und andere Stickoxide einer höheren Ordnung als NO₂ (erzeuge auch HNO₃, wenn Wasser vorhanden ist) zu erzeugen. Dies ermöglicht es, die Mengen an NO₃, N₂O₅ und anderer Stickoxide einer höheren Ordnung als NO₂, welche in dem Abgas, das in ein NOx-Rückhalteelement strömt, enthalten sind, zu erhöhen. Im Ergebnis kann eine NOx-Okklusionsreaktion beschleunigt werden, um das Abgasreinigungsvermögen zu erhöhen.
Entsprechend dem vierten Aspekt der Erfindung kann eine ausreichende Menge Ozon nach Bedarf zugeführt werden, um NO₃, N₂O₅ und andere Stickoxide einer höheren Ordnung als NO₂ (erzeuge auch HNO₃, wenn Wasser vorhanden ist) durch Oxidieren von NO zu erzeugen. Im Ergebnis kann die NOx-Okklusionsreaktion effektiv beschleunigt werden, um das Abgasreinigungsvermögen zu erhöhen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm, das einen Aufbau eines Auslassemissionssteuerapparats entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
2A und 2B sind Diagramme, die einen Aufbau des Apparats entsprechend der ersten Ausführungsform veranschaulichen.
3 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Routine veranschaulicht, die die ECU bei der ersten Ausführungsform ausführt.
4 ist ein Diagramm, um ein Ergebnis eines Experiments für die erste Ausführungsform zu beschreiben.
5 ist ein Diagramm, um ein Ergebnis eines Experiments für die erste Ausführungsform zu beschreiben.
6A und 6B sind Diagramme, um ein Ergebnis eines Experiments für die erste Ausführungsform zu beschreiben.
7A bis 7C sind Diagramme, um ein Ergebnis eines Experiments für die erste Ausführungsform zu beschreiben.
8 ist ein Diagramm, um ein Ergebnis eines Experiments für die erste Ausführungsform zu beschreiben.
Beste Weise zum Ausführen der Erfindung
Erste Ausführungsform
[Aufbau der ersten Ausführungsform]
1 ist ein Diagramm, das einen Auslassemissionssteuerapparat entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Wie in 1 gezeigt, beinhaltet der Auslassemissionssteuerapparat entsprechend der ersten Ausführungsform eine katalytische Vorrichtung 20, welche in einem Auslasspfad 12 eines Verbrennungsmotors 10 platziert ist. Ein NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp 22 ist in der katalytischen Vorrichtung 20 platziert. Soweit der Auslassemissionssteuerapparat wie oben beschrieben aufgebaut ist, strömt ein durch den Auslasspfad 12 tretendes Abgas in die katalytische Vorrichtung 20 und dann in den NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp 22.
Der NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp 22 wird gebildet, wenn ein Grundmaterial (nachfolgend auch als ein Träger bezeichnet) mit einer Schicht, die eine NOx-Rückhaltesubstanz enthält (nachfolgend auch als die „NOx-Rückhalteschicht” bezeichnet), und einer Schicht, die ein Edelmetall enthält (nachfolgend auch als die „Katalysatorschicht” bezeichnet), beschichtet wird. Die NOx-Rückhalteschicht ist in der Lage, NOx in dem Abgas zu okkludieren und das okkludierte NOx bei einer Hochtemperaturatmosphäre oder einer fetten Atmosphäre abzugeben. Die Katalysatorschicht ist in der Lage, eine Reaktion zwischen NOx und HC oder CO zu induzieren und das NOx in N₂, H₂O, CO₂, etc. zu zersetzen. Den oben beschriebenen Aufbau einzusetzen, ermöglicht es, in dem Abgas enthaltenes NOx effektiv zu entfernen (reinigen).
Der Aufbau des NOx-Katalysators vom Okklusions-Reduktionstyp 22 wird ferner unter Bezugnahme auf die 2(A) und 2(B) beschrieben. 2(A) ist eine linksseitige Querschnittsansicht, die entlang einer Linie A-A in 1 genommen ist, um den NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp 22 zu veranschaulichen. Wie in 2(A) gezeigt, beinhaltet der NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp 22 ein keramisches Grundmaterial 25 mit kreisförmigem Umriss. Wie in 2(A) angezeigt, ist das Grundmaterial 25 wabenartig, um eine Mehrzahl rechteckiger Zellen 24 zu beinhalten. Die Zellen 24 verlaufen in der Richtung der Tiefe von 2(A) durch das Grundmaterial 25, so dass das Abgas in dieser Richtung verteilt werden kann.
2(B) ist eine vergrößerte Ansicht einer Zelle 24. Jede Zelle 24 ist eine aus einer Mehrzahl von Abschnitten, die durch das Grundmaterial 25 bereitgestellt sind. Jede Zelle 24 beinhaltet eine NOx-Rückhalteschicht 26 und eine Katalysatorschicht 27. Diese Schichten sind auf der Oberfläche des Grundmaterials 25 einzeln und in Folge von der Seite des Grundmaterials 25 vorgesehen. Ein Strömweg 28 ist in jeder Zelle 24 gebildet und innerhalb der Katalysatorschicht 27 positioniert. Der Strömweg 28 ist in der Richtung der Tiefe von 2(B) so ausgedehnt, dass das Abgas durch den Strömpfad verteilt wird.
Die NOx-Rückhalteschicht 26 ist durch Beschichten des Grundmaterials 25 mit einem BaCO₃ enthaltenden NOx-Rückhaltematerial gebildet. BaCO₃ wirkt als eine NOx-Rückhaltesubstanz (auch als ein NOx-Okklusionsmittel bezeichnet), die NOx in dem Abgas als Nitrat (oder genauer Ba(NO₃)₂) okkludiert. Das okkludierte Ba(NO₃)₂ wird aktiv abgegeben, wenn hauptsächlich das Abgas fett ist oder wenn die Temperatur der NOx-Rückhaltesubstanz hoch ist.
Die Katalysatorschicht 27 ist durch beschichten der NOx-Rückhalteschicht 26 mit einem katalytischen Material, das Pt oder ein anderes Edelmetall enthält, gebildet. Pt oder ein anderes Edelmetall wirkt als eine aktive Stelle, die simultan die Oxidationsreaktion von CO und HO und die Reduktionsreaktion von NOx aktiviert. Somit wirkt die Katalysatorschicht 27 als ein Dreiwegekatalysator, der simultan NOx, CO und HO entfernt. Die Katalysatorschicht 27 ist gasdurchlässig, um es NOx zu ermöglichen, sich zwischen dem Strömweg 28 und der NOx-Rückhalteschicht 26 bewegen zu können.
Der Apparat entsprechend der ersten Ausführungsform beinhaltet auch eine Ozonzufuhrvorrichtung 30, wie in 1 gezeigt. Die Ozonzufuhrvorrichtung 30 steht in Verbindung mit dem Lufteinlass 34. Die Ozonzufuhrvorrichtung 30 kann Luft von dem Lufteinlass 34 an sich bringen, Ozon (O₃) erzeugen, und das erzeugte Ozon stromabwärts bringen. Der Aufbau, die Funktion und weitere Charakteristika eines Ozonerzeugers, welcher Ozon aus Luft erzeugt, werden nicht detailliert beschrieben werden, weil eine Vielfalt verwandter Technologien allgemein bekannt sind.
Die Ozonzufuhrvorrichtung 30 weist eine Ozoneinspeisöffnung 32 auf, welche Gas innerhalb der katalytischen Vorrichtung 20 einspeist. Die Ozoneinspeisöffnung 32 ist stromaufwärtig von dem NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp 22 in der katalytischen Vorrichtung 20 positioniert. Wenn dieser Aufbau eingesetzt wird, um Ozon von der Ozoneinspeisöffnung 32 einzuspeisen, kann das Ozon oder die Luft dem durch den Auslassweg 12 tretenden Abgas zugegeben werden. Das zugegebene Ozon oder die zugegebene Luft vermischt sich dann mit dem Abgas, so dass die resultierende Gasmischung in den NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp 22 strömt.
Der Auslassemissionssteuerapparat entsprechend der ersten Ausführungsform beinhaltet eine ECU (elektronische Steuereinheit, Electronic Control Unit) 50. Die ECU 50 ist mit der Ozonzufuhreinrichtung 30 verbunden. Die ECU 50 übermittelt ein Steuersignal an die Ozonzufuhrvorrichtung 30 zum Zweck des Steuerns des zeitlichen Ablaufs und der Menge der Ozoneinspeisung. Die Verwendung des oben beschriebenen Aufbaus ermöglicht es, Ozon zu gewünschten Zeitpunkten zuzuführen.
Um eine NOx-Okklusionsreaktion effizient zu induzieren, ist es bevorzugt, dass NOx in dem Abgas in einem erhöhten Maß oxidiert sei. Bei der ersten Ausführungsform kann die Ozonzufuhrvorrichtung 30 dem Abgas Ozon nach Bedarf zugeben. Dies ermöglicht es, das Abgas durch Oxidieren von NOx in dem Abgas während einer Gasphasenreaktion effektiv zu reinigen.
Die ECU 50 ist ebenfalls z. B. mit verschiedenen Sensoren, welche für den Verbrennungsmotor 10 vorgesehen sind, verbunden. Daher kann die ECU 50 Informationen z. B. über die Temperatur, die Motorgeschwindigkeit Ne, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F, die Belastung und die Menge der Luftaufnahme des Verbrennungsmotors 10 an sich bringen.
[Merkmale der ersten Ausführungsform]
(Merkmale des Aufbaus)
Wie oben beschrieben ist die in dem NOx-Rückhaltelement enthaltene NOx-Rückhaltesubstanz (BaCO₃ in der ersten Ausführungsform) in der Lage, NOx in dem Abgas zu okkludieren. Das in dem Katalysator enthaltene Edelmetall (Pt, Rh, Pd, etc. in der ersten Ausführungsform) wirkt als eine aktive Stelle während der Abgasreinigung. Um eine NOx-Okklusion und -Reduktion und Abgasreinigung mit hoher Effizienz zu erzielen, ist es wichtig, dass die obigen Funktionen effektiv in einer koordinierten Weise ausgeführt werden.
Verschiedene durch Integrieren des oben beschriebenen NOx-Rückhalteelements und des Katalysators gebildete konventionelle Katalysatoren sind bekannt. Diese Katalysatoren sind z. B. in dem Japanischen Patent Nr. 3551346 offenbart und auch als ein „NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp” oder „NSR-Katalysator” bezeichnet. Der NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp kann die NOx-Okklusionsreaktion durch Fördern der Oxidation von NOx unter Verwendung des Katalysators beschleunigen. Ferner kann der Katalysator, wenn NOx abzugeben ist, das Abgas reinigen.
Wenn das NOx-Rückhalteelement mit dem Katalysator wie oben beschrieben kombiniert wird, wird das Abgasreinigungsvermögen des Katalysators (das Vermögen, NOx, HC und CO zu entfernen) allerdings kleiner als das eines konventionellen Dreiwegekatalysators, der keine NOx-Rückhaltesubstanz enthält. Der Grund dafür wäre, dass die NOx-Rückhaltesubstanz als ein Katalysatorgift für den Katalysator (Edelmetallelement) wirkt und die Aktivierungsfunktion des Katalysators schwächt. Um eine Abgasreinigung mit hoher Effizienz zu erzielen, ist es bevorzugt, dass solch ein nachteiliger Effekt vermieden wird, um die Funktion des Katalysators voll auszuüben.
Im Hinblick auf die obigen Umstände konfiguriert der Auslassemissionssteuerapparat entsprechend der ersten Ausführungsform den NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp 22 durch Bereitstellen des Grundmaterials 25 mit der NOx-Rückhalteschicht 26 und der separaten Katalysatorschicht 27, um diese beiden Schichten als unabhängige Schichten bereitzustellen. Wie zuvor angemerkt, sinkt das Abgasreinigungsvermögen des Katalysators wenn die NOx-Rückhaltesubstanz als ein Katalysatorgift wirkt. Die erste Ausführungsform hindert die NOx-Rückhaltesubstanz daran, als Katalysatorgift für die Katalysatorschicht 27 zu wirken, weil die NOx-Rückhalteschicht 26 und die Katalysatorschicht 27 unabhängig voneinander gebildet sind. Das Folgende beschreibt Arbeitsgänge, die zur NOx-Okklusion und NOx-Abgabe durchgeführt werden, wenn der Aufbau entsprechend der ersten Ausführungsform eingesetzt wird.
(Zur NOx-Okklusion durchgeführter Arbeitsgang)
Wie oben beschrieben weist der NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp 22 entsprechend der ersten Ausführungsform die Katalysatorschicht 27 auf. Die Katalysatorschicht 27 beinhaltet Pt oder ein anderes Edelmetall und kann gleichzeitig NOx, CO und HC entfernen (diese Funktion kann nachfolgend als die „Abgasreinigungsfunktion” bezeichnet sein). Um es dem Katalysator zu ermöglichen, seine Abgasreinigungsfunktion auszuüben, ist es allerdings notwendig, dass der Katalysator auf eine angemessene Aktivierungstemperatur aufgeheizt sei. Daher ist es, wenn der Verbrennungsmotor 12, insbesondere bei einer kalten Temperatur, den Betrieb aufnimmt, schwierig, in dem Abgas enthaltenes NOx zu entfernen, weil die Temperatur des NOx-Katalysators vom Okklusions-Reduktionstyp 22 niedrig ist.
In der obigen Situation führt die vorliegende Ausführungsform daher dazu, dass die NOx-Rückhalteschicht 26 NOx okkludiert. Um solch eine NOx-Okklusion zu beschleunigen, verwendet die vorliegende Ausführungsform ferner die Ozonzufuhrvorrichtung 30, um Ozon in solch einer Weise zuzuführen, dass sich Ozon mit dem in den NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp 22 strömenden Abgas vermischt. Wenn Ozon dem Abgas in der obigen Weise zugegeben wird, wird NOx in dem Abgas oxidiert, um die NOx-Okklusion zu vereinfachen.
Das durch Ozon oxidierte NOx erreicht den NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp 22 und strömt in den Strömweg 28 innerhalb jeder Zelle 24. Wenn NOx in dem Strömweg 28 strömt, tritt es durch die Katalysatorschicht 27, welche noch nicht auf ihre Aktivierungstemperatur erwärmt ist, und erreicht dann die NOx-Rückhalteschicht 26. Anschließend tritt eine Okklusionsreaktion in der NOx-Rückhalteschicht 26 auf, so dass NOx als Nitrat okkludiert wird. Während der oben beschriebene Arbeitsgang durchgeführt wird, ist es möglich, NOx in dem Abgas selbst in einer Situation zu okkludieren, wo die Katalysatorschicht 27 des NOx-Katalysators vom Okklusions-Reduktionstyp 22 seine Aktivierungstemperatur bei der Betriebsaufnahme des Verbrennungsmotors 12 nicht erreicht hat.
(Zur NOx-Abgabe durchgeführter Arbeitsgang)
Während die zuvor genannte NOx-Okklusion nach der Betriebsaufnahme des Verbrennungsmotors 12 stattfindet, steigt die Temperatur des NOx-Katalysators vom Okklusions-Reduktionstyp 22. Daher erreicht, wenn eine angemessene Zeitdauer nach der Betriebsaufnahme des Verbrennungsmotors 12 verstreicht, die Temperatur der Katalysatorschicht 27 in dem NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp 22 eine Aktivierungstemperatur. Folglich schaltet die erste Ausführungsform, wenn die Katalysatorschicht 27 ihre Aktivierungstemperatur erreicht und bereit ist, ihre Abgasreinigungsfunktion voll auszuüben, die Zufuhr an Ozon ab und übt einen Steuervorgang aus, um die Kraftstoffeinspritzmenge des Verbrennungsmotors 12 leicht anzureichern.
Wenn die Zufuhr an Ozon abgeschaltet ist, ist eine Beschleunigung der NOx-Okklusionsreaktion beendet. Ferner ist, wenn die Temperatur des NOx-Katalysators vom Okklusions-Reduktionstyp 22 hoch ist, die Temperatur der NOx-Rückhalteschicht 26 auch hoch. Wenn die Temperatur steigt und die Atmosphäre angereichert bzw. fetter wird, gibt die NOx-Rückhalteschicht 26 das okkludierte NOx aktiv ab. Daher tritt die NOx-Abgabereaktion aufgrund der oben beschriebenen Steuerung aktiv ein.
Wenn NOx aus der NOx-Rückhalteschicht 26 abgegeben wird, erreicht das abgegebene NOx die Katalysatorschicht 27. Das NOx in der Katalysatorschicht wird dann durch HC und andere in dem Abgas enthaltene Reduktionsmittel zu N₂, H₂O, CO₂, etc. reduziert. Wie zuvor beschrieben ist die vorliegende Ausführungsform so aufgebaut, dass die NOx-Rückhalteschicht 26 und die Katalysatorschicht 27 unabhängig voneinander gebildet sind. Dieser Aufbau hindert die NOx-Rückhaltesubstanz daran, als ein Katalysatorgift für die Katalysatorschicht 27 zu wirken. Folglich ermöglicht es die vorliegende Ausführungsform, das Abgas effektiv zu reinigen, ohne die Abgasreinigungsfunktion der Katalysatorschicht 27 zu hemmen.
Wie oben beschrieben verhindert die vorliegende Ausführungsform, dass die NOx-Rückhaltesubstanz als ein Katalysatorgift wirkt, weil die NOx-Rückhalteschicht 26 und die Katalysatorschicht 27 unabhängig voneinander gebildet sind. Dies ermöglicht es, zu verhindern, dass das Abgasreinigungsvermögen der Katalysatorschicht 27 gehemmt wird. Ferner bringt die vorliegende Ausführungsform die Ozonzufuhrvorrichtung 30 dazu, Ozon zuzuführen und beschleunigt die NOx-Okklusionsreaktion ohne auf den Katalysator zurückzugreifen. Daher kann NOx okkludiert und reduziert werden, während die Abgasreinigungsfunktion des Katalysators voll ausgeübt wird.
Zusätzlich kann, wenn ein auf Ozon basiertes NOx-Oxidationsverfahren verwendet wird, NOx mit erhöhter Gewissheit während einer Gasphasenreaktion oxidiert werden, ohne auf den Katalysator zurückzugreifen, selbst wenn die Temperatur zu der Zeit, z. B. der Betriebsaufnahme eines Verbrennungsmotors, niedrig ist. Über dies tritt, wenn Wasserdampf vorhanden ist, Salpetersäure auf und reagiert einfach mit der NOx-Rückhaltesubstanz. Dies ermöglicht es, NOx mit hoher Effizienz zu okkludieren.
Bei der ersten Ausführungsform, welche oben beschrieben ist, entspricht der NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp 22 dem „NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp” entsprechend dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung; und die Ozonzufuhrvorrichtung 30 entspricht der „Ozonzufuhreinrichtung” entsprechend dem ersten Aspekt. Ferner entspricht bei der ersten Ausführungsform, welche oben beschrieben ist, die Zelle 24 der „Zelle” entsprechend dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung; die NOx-Rückhalteschicht 26 entspricht der „ersten Schicht” entsprechend dem ersten Aspekt; und die Katalysatorschicht 27 entspricht der „zweiten Schicht” entsprechend dem ersten Aspekt.
[Details eines durch die erste Ausführungsform durchgeführten Verfahrens]
Ein durch den Auslassemissionssteuerapparat entsprechend der ersten Ausführungsform durchgeführtes Verfahren wird nun unter Bezugnahme auf 3 im Detail beschrieben. 3 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Routine veranschaulicht, die die ECU 50 bei der ersten Ausführungsform ausführt. Die Routine wird ausgeführt, wenn der Verbrennungsmotor 10 bei einer geringen Temperatur startet (z. B. bei einem Kaltstart).
Zunächst führt die in 3 gezeigte Routine den Schritt S100 aus, um Ozon zuzuführen. Spezieller übermittelt die ECU 50 ein Steuersignal an die Ozonzufuhrvorrichtung 30, so dass Ozon mit einer vorbestimmten Strömgeschwindigkeit zugeführt wird. Die Ozoneinspeisung tritt dann entsprechend dem Steuersignal auf. Im Ergebnis wird in dem Abgas enthaltenes NO zu NO₃ oxidiert, so dass eine Okklusionsreaktion innerhalb der NOx-Rückhalteschicht 26 effizient auftritt.
Als Nächstes führt die Routine den Schritt S110 aus, um zu beurteilen, ob eine O₃-Zufuhrabschaltbedingung begründet ist. Spezieller wird der Schritt S110 durchgeführt, um zu beurteilen, ob eine gewisse Zeitdauer, welche notwendig ist, damit die Katalysatorschicht 27 ihre Aktivierungstemperatur erreicht und z. B. während eines Experiments vorbestimmt wird, verstrichen ist. Wenn das erhaltene Beurteilungsergebnis nicht anzeigt, dass die O₃-Zufuhrabschaltbedingung begründet ist, schließt die Routine daraus, dass die Katalysatorschicht 27 ihre Aktivierungstemperatur nicht erreicht hat, und wiederholt die Schritte S100 und darüber hinaus.
Wenn das erhaltene Beurteilungsergebnis anzeigt, dass die O₃-Zufuhrabschaltbedingung begründet ist, schreitet die Routine zu Schritt S130 fort, schaltet die Zufuhr von O₃ ab, und steuert den Betriebsstatus des Verbrennungsmotors 10 so, dass sich das Luft-Kraftstoffverhältnis von stöchiometrisch zu leicht fett ändert. Im Ergebnis wird das in der NOx-Rückhalteschicht 26 okkludierte NOx abgegeben. Das abgegebene NOx erreicht dann die Katalysatorschicht 27 und wird reduziert und so entfernt. Anschließend wird die Routine beendet.
Wenn das oben beschriebene Verfahren durchgeführt wird, ist es möglich, zuverlässig zu verhindern, dass die NOx-Rückhaltesubstanz als ein Katalysatorgift wirkt, und eine NOx-Okklusion und -Reduktion zu erzielen, während die Abgasreinigungsfunktion der Katalysatorschicht 27 voll ausgeübt wird. Ferner kann, wenn ein auf Ozon basiertes NOx-Oxidationsverfahren verwendet wird, NOx sicher oxidiert werden, NOx sicher oxidiert werden, ohne auf den Katalysator zurückzugreifen, selbst wenn die Temperatur zu der Zeit, z. B. der Betriebsaufnahme des Verbrennungsmotors, niedrig ist. Dies ermöglicht es, exzellente Emissionscharakteristika zu erhalten.
[Experimentergebnisse für die erste Ausführungsform]
Experimentergebnisse für die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf 4 bis 7 beschrieben.
(Aufbau des Messsystems)
4 zeigt ein Messsystem, das für das Experiment verwendet wurde. Das Messsystem beinhaltet einen Modellgaserzeuger 230 und eine Mehrzahl von Gaszylindern 232, um ein Modellgas zu erzeugen, welches das Abgas eines Verbrennungsmotors vertritt. Der Modellgaserzeuger 230 kann die Gase in den Gaszylindern 232 mischen, um das folgende Simulationsgas zu erzeugen:
Simulationsgaszusammensetzung

C₃H₆ 1.000 ppm
CO 7.000 ppm
NO 1.500 ppm
O₂ 7.000 ppm
CO₂ 10%
H₂O 3%
Rest, N₂

Der Modellgaserzeuger 230 steht in Verbindung mit einem elektrischen Ofen, in welchem ein Teststück 222 platziert ist. 5 ist eine vergrößerte Ansicht des Teststücks 222 und seiner Umgebung. Wie in 5 gezeigt, ist das Teststück 222 so aufgebaut, dass eine Ausführungsformprobe 224 in einem Quarzrohr eingehaust ist. Das Experiment umfasst die Verwendung eines Vergleichsbeispiels, für welches dasselbe Experiment wie mit der Ausführungsformprobe 224 mit einer später beschriebenen Vergleichsprobe, die die Ausführungsformprobe 224 ersetzt, durchzuführen ist.
Das in 4 gezeigte Messsystem beinhaltet einen Sauerstoffzylinder 240. Das stromabwärtige Ende des Sauerstoffzylinders 240 steht in Verbindung mit Strömgeschwindigkeitsteuereinheiten 242, 244. Die Strömgeschwindigkeitsteuereinheit 242 steht in Verbindung mit dem Ozonerzeuger 246. Der Ozonerzeuger 246 erhält Sauerstoff, welcher von dem Sauerstoffzylinder 240 zugeführt wird, und erzeugt Ozon. Der Ozonerzeuger 246 steht durch einen Ozonanalysator 248 und eine Strömgeschwindigkeitssteuereinheit 250 in Verbindung mit dem stromabwärtigen Ende des Modellgaserzeugers 230 und dem stromaufwärtigen Ende des Teststücks 222.
Indes steht das stromabwärtige Ende der Strömgeschwindigkeitsteuereinheit 244 direkt in Verbindung mit dem Ozonanalysator. In einer Situation, wo der oben beschriebene Aufbau eingesetzt wird, führt ein Anschalten dazu, dass der Ozonerzeuger 246 dem stromaufwärtigen Ende des Teststücks 222 eine Gasmischung aus O₃ und O₂ zuführt, während ein Ausschalten dazu führt, dass der Ozongenerator 246 dem stromaufwärtigen Ende des Teststücks 222 nur O₂ zuführt.
Wenn die Strömgeschwindigkeitsteuereinheiten 242, 244 und der Ozonerzeuger 246 angemessen verwendet werden, ermöglicht es das in 4 gezeigte Messsystem, die folgenden zwei Arten von Gasen, welche sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden, zu erzeugen. Jedes dieser Gase ist in das Teststück 222 einzuspeisen und wird nachfolgend einfach als ein „Injektionsgas” bezeichnet.
Injektionsgaszusammensetzung

(1) O₃, 30.000 ppm; Rest, O₂
(2) Nur O₂

Die Strömgeschwindigkeitsteuereinheit 250 kann das Injektionsgas mit einer gewünschten Strömgeschwindigkeit zuführen.
Abgasanalysatoren 260, 262 und ein Ozonanalysator 264 sind stromabwärtig des Teststücks 222 positioniert. Diese Analysatoren können Gasbestandteile messen, wobei das Gas aus dem Teststück 222 strömt.
Die folgenden Messinstrumente wurden während des Experiments verwendet:
Ozonerzeuger 246; Iwasaki Electric, OP100W Ozonanalysator 248 (stromaufwärtig); Ebara Jitsugyo, EG600 Ozonanalysator 264 (stromabwärtig); Ebara Jitsugyo, EG2001B Abgasanalysatoren 260, 262; Horiba, MEXA9100D (HC/CO/NOx-Messung); Horiba, VAI-510 (CO₂-Messung)
(Probenvorbereitungsverfahren)
Die 6(A) und 6(B) veranschaulichen eine Ausführungsformprobe und eine Vergleichsprobe, die während des Experiments verwendet wurden. 6(A) zeigt eine Zelle der Ausführungsformprobe 224, welche auch in 5 gezeigt ist. 6(B) zeigt eine Zelle der Vergleichsprobe 324. Die Vergleichsprobe 324 verwendet das gleiche Wabenbasierte Material wie die Ausführungsformprobe 224, ist aber in einer Weise beschichtet, die sich von der für die Ausführungsformprobe 224 unterscheidet.
Die in 6(A) gezeigte Ausführungsformprobe 224 wurde durch Durchführen der nachfolgend beschriebenen Prozedur vorbereitet. Zu allererst wurde γ-Al₂O₃ in Ionenaustauschwasser dispergiert. Eine wässrige Lösung aus Bariumacetat wurde dann zugegeben. Die resultierende Mischung wurde erwärmt, um Wasser davon zu entfernen, bei 120°C getrocknet und zu Pulver pulverisiert. Das Pulver wurde dann für zwei Stunden bei 500°C gebrannt. Das gebrannte Pulver wurde in eine Ammoniumhydrogencarbonat enthaltende Lösung getaucht und dann bei 250°C getrocknet, um Barium, das auf Al₂O₃ geträgert war, zu erhalten (nachfolgend auch als der „Barium-geträgerte Katalysator” bezeichnet). Die Trägermenge an Barium war 0,2 Mol pro 120 g γ-Al₂O₃.
Als Nächstes wurde γ-Al₂O₃ in Ionenaustauschwasser dispergiert. Eine Dinitro-Diamminplatin enthaltene wässrige Lösung wurde dann zugegeben, um Pt zu trägern. Die resultierende Mischung wurde getrocknet, pulverisiert und für eine Stunde bei 450°C gebrannt, um Platin zu erhalten, das auf Al₂O₃ geträgert war (nachfolgend auch als der „Platin-geträgerte Katalysator” bezeichnet). Die Trägermenge an Platin war 4 g pro 120 g γ-Al₂O₃.
Als Nächstes wurde eine Cordieritwabenstruktur 125 mit 30 mm Durchmesser, 50 mm lang und 4 mil/400 cpsi mit dem Barium-geträgerten Katalysator beschichtet und für eine Stunde bei 450°C gebrannt, um eine Ba-geträgerte Katalysatorschicht 126 zu erhalten. Die Beschichtungsmenge war dergestalt, dass Al₂O₃ in einer Menge von 60 g/L beschichtet war. Als Nächstes wurde die Wabenstruktur 125, welche wie oben beschrieben beschichtet war, ferner mit dem Platin-geträgerten Katalysator beschichtet und für eine Stunde bei 450°C gebrannt, um eine Pt-geträgerte Katalysatorschicht 127 zu erhalten. Die Beschichtungsmenge war dergestalt, dass Al₂O₃ in einer Menge von 60 g/L beschichtet war. Die Ausführungsformprobe 224 mit 2 Schichten einer Katalysatorbeschichtung wurde durch Durchführen des obigen Prozesses erhalten.
Folglich war die erhaltene Ausführungsformprobe 224 dergestalt, dass die gesamte Pt-Trägermenge 2 g war, und dass die Ba-Trägermenge 0,1 Mol/Al₂O₃ 120 g war, und dass ferner die Beschichtungsmenge 120 g/L (Al₂O₃) war.
Indes wurde die Vergleichsprobe 324, welche in 6(B) gezeigt ist, durch Durchführen der nachfolgend beschriebenen Prozedur vorbereitet. Zuallererst wurde γ-Al₂O₃ in Ionenaustauschwasser dispergiert. Eine wässrige Lösung aus Bariumacetat wurde dann zugegeben. Die resultierende Mischung wurde dann erwärmt, um Wasser davon zu entfernen, bei 120°C getrocknet und zu Pulver pulverisiert. Das Pulver wurde dann für zwei Stunden bei 500°C gebrannt. Das gebrannte Pulver wurde in eine Ammoniumhydrogencarbonat enthaltende Lösung getaucht, und dann bei 250°C getrocknet, um den Barium-geträgerten Katalysator zu erhalten.
Der erhaltene Barium-geträgerte Katalysator wurde in Ionenaustauschwasser dispergiert. Eine Dinitro-Diamminplatin enthaltende wässrige Lösung wurde dann zugegeben, um Pt zu trägern. Die resultierende Mischung wurde getrocknet, pulverisiert und für eine Stunde bei 450°C gebrannt. In dieser Weise wurde ein Vergleichsbeschichtungskatalysator erhalten. Der erhaltene Katalysator war dergestalt, dass die Bariumträgermenge 0,1 Mol pro 120 g γ-Al₂O₃ war, und dass die Platinträgermenge 2 g pro 120 g γ-Al₂O₃ war. Als Nächstes wurde eine Cordieritwabenstruktur 325 mit 30 mm Durchmesser, 50 mm lang, 4 mil/400 cpsi mit dem Vergleichsbeschichtungskatalysator, welcher wie oben beschrieben angefertigt war, beschichtet und für eine Stunde bei 450°C gebrannt, um eine PtBa Katalysatorschicht 326 zu erhalten. Die Beschichtungsmenge war dergestalt, dass Al₂O₃ in einer Menge von 120 g/L beschichtet war.
Folglich war die vorbereitete Vergleichsprobe 324 dergestalt ähnlich zu der Ausführungsformprobe 224, dass die gesamte Pt-Trägermenge 2 g war, und dass die Ba-Trägermenge 0,1 Mol/Al₂O₃ 120 g war, und dass ferner die Beschichtungsmenge 120 g/L (Al₂O₃) war. Somit waren die Ausführungsformprobe 224 und Vergleichsprobe 324 so aufgebaut, dass sie die gleichen Mengen an Pt und Ba enthielten.
(Beschreibung des Experiments)
In dem oben beschriebenen Messsystem wurden das zuvor genannte Simulationsgas und das Injektionsgas zusammengeführt und dem Teststück 222 unter den folgenden Bedingungen zugeführt. Der elektrische Ofen wurde so gesteuert, dass er die Katalysatortemperatur bei der folgenden Geschwindigkeit erhöhte und zum Beispiel die Konzentration an stromabwärts strömenden NOx bestimmt.
Temperatur: 30°C bis 500°C
Temperaturanstiegsgeschwindigkeit: 10°C/min (konstant)
Simulationsgasströmgeschwindigkeit: 30 L/min
Injektionsgasströmgeschwindigkeit: 6 L/min
Das Injektionsgas wurde zugeführt, wenn die Temperatur zwischen 30°C und 300°C war. Wenn die Temperatur zwischen 300°C und 500°C war, wurde nur das Simulationsgas verteilt, ohne das Injektionsgas zuzuführen.
(Reinigungseffizienzberechnungsverfahren)
7(A) bis 7(C) sind Bilder, die veranschaulichen, wie die Abgasreinigungseffizienz in dem Experiment berechnet wurde. 7(A) ist ein Bild, das die Menge eines Bestandteils des zugeführten Abgases veranschaulicht, welche durch Multiplizieren der Simulationsgaskonzentration mit der Prüfzeit erhalten wurde. Entsprechend dem Bild wurde die Menge eines Bestandteils des Abgases, die während der Messzeit zugeführt wurde, in dem Experiment durch Multiplizieren des Produkts der Konzentration des Bestandteils in dem Simulationsgas und einer Simulationsgasströmgeschwindigkeit mit der Prüfzeit berechnet.
7(B) ist ein Bild, das die Menge eines Bestandteils des stromabwärts strömenden Abgases veranschaulicht, welche durch Multiplizieren der Konzentration des stromabwärts des Teststücks 222 strömenden Gases mit der Prüfzeit bestimmt wurde. Entsprechend dem Bild wurde die Menge des stromabwärts strömenden Bestandteils durch Multiplizieren des Produkts einer Bestandteilskonzentration, welche durch einen Abgasanalysator detektiert wurde, und einer Gasströmgeschwindigkeit mit der Prüfzeit berechnet.
Die obigen berechneten Werte wurden dann verwendet, um die Abgasreinigungseffizienz wie in 7(C) gezeigt zu bestimmen. Spezieller wurde die Menge eines stromabwärts strömenden Bestandteils (7(B)) von der während der Messzeit zugeführten Gasmenge (7(A)) subtrahiert. Der erhaltene Wert wurde dann durch die während der Messzeit (7(A)) zugeführte Gasmenge dividiert, um die Abgasreinigungseffizienz als einen Prozentanteil zu berechnen.
(Experimentergebnisse)
8 ist ein Graph, der einen ersten Anteil der Ergebnisse des Experiments veranschaulicht. Der Graph in 8 zeigt an, dass die Verwendung der Ausführungsformprobe 224 höhere Reinigungseffizienzen für NOx, HC und CO vorwies, als die Verwendung der Vergleichsprobe 324.
Die Experimentergebnisse, welche oben beschrieben wurden, zeigen an, dass die erste Ausführungsform eine NOx-Okklusionsreaktion induziert, während sie den Einfluss eines Katalysatorgifts abwendet. Das heißt, dass der Katalysator seine Abgasreinigungsfunktion voll ausübt, um exzellente Emissionscharakteristika zu erhalten. Wie oben erwähnt enthält die Ausführungsformprobe 224 ferner die gleichen Mengen an Barium und Platin wie die Vergleichsprobe 324. In anderen Worten ermöglicht es die erste Ausführungsform, die NOx-Rückhaltesubstanz und das Edelmetall mit hoher Effizienz zu verwenden.
[Modifikationen der ersten Ausführungsform]
(Erste Modifikation)
Die erste Ausführungsform beschichtet das Grundmaterial 25 mit der NOx-Rückhalteschicht 26, die BaCO₃ enthält. Allerdings ist das Material für die NOx-Rückhalteschicht nicht auf die eine oben beschriebene begrenzt. Zum Beispiel kann ein Alkalimetall, wie etwa Na, K, Cs oder Rb, ein Erdalkalimetall, wie etwa Ba, Ca oder Sr, oder ein Seltenerdelement, wie etwa Y, Ce, La oder Pr nach Bedarf verwendet werden, wie in dem Japanischen Patent Nr. 3551346 beschrieben.
Daher ist, wenn die NOx-Rückhaltesubstanz NOx als Nitrat okkludiert, die Zusammensetzung des Nitrats nicht auf Ba(NO₃)₂ begrenzt, welches in Verbindung mit der ersten Ausführungsform genannt ist. Es ist zu beachten, dass Ba ein großes Okklusionsvermögen hat (1 Mol Ba kann 3 Mol NO₃ okkludieren), eine höhere thermische Stabilität als andere Materialien aufweist, und als eine NOx-Rückhaltesubstanz zur Verwendung mit einem Auslassemissionssteuerapparat geeignet ist.
Das Material für die Katalysatorschicht 27 ist nicht auf Pt, Rh, Pb oder andere zuvor beschriebene Materialien begrenzt. Verschiedene als Edelmetallmaterialien, die einen Abgasreinigungskatalysator ausmachen, bekannte Katalysatormaterialien können mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Ferner können Keramik, Aluminiumoxid (Al₂O₃) und andere geeignete Materialien als ein Trägermaterial für ein Edelmetall oder eine NOx-Rückhaltesubstanz verwendet werden.
Gleichermaßen kann das Grundmaterial auch aus verschiedenen allgemein bekannten Substanzen, wie etwa Keramik oder Metall, hergestellt sein. Bei der ersten Ausführungsform ist das Grundmaterial 25 mit in einem netzartigen Muster aufgeteilten Zellen 24 mit der NOx-Rückhalteschicht 26 und der Katalysatorschicht 27 beschichtet. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung eines solchen Grundmaterials begrenzt. Verschiedenartig geformte, allgemein bekannte Grundmaterialien können auch mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
(Zweite Modifikation)
Die erste Ausführungsform verwendet die Ozonzufuhrvorrichtung 30, um dem Abgas Ozon zuzugeben. Allerdings kann solch eine Ozonzugabe vorzugsweise in der nachfolgend beschriebenen Weise durchgeführt werden. Es ist bekannt, dass NOx in dem Abgas aufgrund einer Gasphasenreaktion oxidiert, wenn Ozon (O₃) dem Abgas zugegeben wird. Spezieller reagiert das NOx mit dem Ozon, um die folgenden Reaktionen zu induzieren: NO + O₃ → NO₂ + O₂ [1] NO₂ + O₃ → NO₃ + O₂ [2] NO₂ + NO₃ → N₂O₅ [3]
In der nachfolgenden Erläuterung kann die Reaktionsformel [1] als die „erste Formel” bezeichnet sein; die Reaktionsformel [2] als die „zweite Formel”; und die Reaktionsformel [3] als die „dritte Formel”. In der dritten Formel ist nur der Pfeil enthalten, der eine zur rechten Seite gehende Reaktion anzeigt; allerdings kann auch eine zur linken Seite ablaufende Reaktion auftreten.
Eine NOx-Okklusion in der NOx-Rückhaltesubstanz wird erzielt, wenn ein Stickoxid hoher Ordnung, welches erzeugt wird, wenn NOx oxidiert wird, oder HNO₃, welches erzeugt wird, wenn solch ein Stickoxid mit Wasser reagiert, durch die NOx-Rückhaltesubstanz okkludiert wird. Wenn zum Beispiel NO₃ sich in Ba(NO₃)₂ oder ein anderes Nitrat umwandelt, wird es durch die NOx-Okklusionssubstanz okkludiert. Um eine NOx-Okklusionsreaktion mit hoher Effizienz zu induzieren, ist es daher bevorzugt, dass eine erhöhte Menge an NOx in dem Abgas sich in NO₃, N₂O₅ und andere Stickoxide einer höheren Ordnung als NO₂ umwandelt.
In Hinblick auf die obigen Umstände induziert die zweite Modifikation die durch die zweite Formel angezeigte Reaktion durch Zugeben von Ozon in solch einer Weise, dass das Molverhältnis von Ozon zu NO in der Gasmischung größer ist als 1. Spezieller wird die Ozonzugabe so durchgeführt, dass der folgende Vergleichsausdruck durch das Verhältnis zwischen Mol(O₃), welches ein Moläquivalent der Menge an Ozon in der Gasmischung ist, und Mol(NO), welches ein Moläquivalent der Menge an Stickstoffmonoxid in der Gasmischung ist, erfüllt ist: Mol(O₃)/Mol(NO) > 1 [4]
In der nachfolgenden Erläuterung kann die obige Formel [4] als die „vierte Formel” bezeichnet sein.
Wenn das Molverhältnis von Ozon zu NO in der Gasmischung nicht größer ist als 1 (Mol(O₃)/Mol(NO) ≤ 1), werden NO₃ und N₂O₅ nicht aufgrund der in der zweiten und dritten Formel angezeigten Reaktionen erzeugt, obwohl NO₂ aufgrund der in der ersten Formel angezeigten Reaktion erzeugt wird. Wenn so etwas der Fall ist, wird die zweite Modifikation so aufgebaut, dass die Substanzmenge an zuzuführendem Ozon größer ist als die Substanzmenge an NO in dem Abgas. Daher kann eine angemessene Menge an Ozon zugeführt werden, um NO₃ und N₂O₅ durch Oxidieren von NO zu erzeugen (um die in der zweiten und dritten Formel angezeigten Reaktionen zu induzieren). Im Ergebnis können die Mengen an Stickoxiden hoher Ordnung in dem Abgas sicher erhöht werden, um eine NOx-Okklusion effektiv zu erzielen.
Der oben beschriebene Prozess wird implementiert, wenn die ECU 50 einen „Prozess zum Einstellen einer Ozonzufuhrmenge, so dass das Molverhältnis von Ozon zu Stickstoffmonoxid (NO) in einer in den NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp strömenden Gasmischung größer als 1 ist” durchführt (Ozonzufuhrmengeneinstellprozess). Dieser Prozess kann zum Beispiel vor dem Schritt S100 der in 3 gezeigten Routine durchgeführt werden. Die Ozonzufuhrmenge zum Bereitstellen des obigen Molverhältnisses kann zum Beispiel dadurch definiert werden, dass es der ECU 50 erlaubt wird, die Molmenge an in dem Abgas enthaltenem NOx entsprechend dem Betriebsstatus (Motorgeschwindigkeit Ne, Luft-Kraftstoffverhältnis A/F, Belastung, Menge aufgenommener Luft, etc.) des Verbrennungsmotors 10 abzuschätzen und die Strömgeschwindigkeit an zuzuführendem Ozon gemäß der abgeschätzten Molmenge an NOx zu berechnen.
(Dritte Modifikation)
Alternativ kann die Ozonzufuhrmenge weiter erhöht werden, so dass das Molverhältnis von Ozon zu Stickstoffmonoxid in der Gasmischung nicht kleiner ist als 2 (Mol(O₃)/Mol(NO) ≥ 2). Wenn das Molverhältnis von Ozon (O₃) zu Stickstoffmonoxid (NO) in der Gasmischung größer ist als 1, verbleibt das Ozon weiterhin in der Gasmischung, selbst nachdem NO zu NO₂, wie in der ersten Formel angezeigt, oxidiert ist. Daher treten die in der zweiten und dritten Formel angezeigten Reaktionen auf, um NO₃ und N₂O₅ zu erzeugen. Allerdings werden, wenn eine Spurenmenge an Ozon nach der in der ersten Formel angezeigten Reaktion verbleibt, die während der in der zweiten und dritten Formel angezeigten Reaktion zu erzeugenden Mengen an NO₃ und N₂O₅ verringert.
In Hinblick auf die obigen Umstände stellt die dritte Modifikation die Ozonzufuhrmenge so ein, dass das Molverhältnis zwischen Ozon und NO in der Gasmischung nicht kleiner ist als 2 (Mol O₃)/Mol(NO) ≥ 2). Dies stellt sicher, dass eine angemessene Menge an Ozon nach der in der ersten Formel angezeigten Reaktion verbleibt und zu den in der zweiten und dritten Formel angezeigten Reaktionen beiträgt, und dadurch sicher die Mengen an Stickoxiden hoher Ordnung erhöht. Wie oben beschrieben ermöglicht es die dritte Modifikation, eine angemessene Menge an Ozon zuzuführen, um NO₃ und N₂O₅ durch Oxidieren von NO zu erzeugen und die NOx-Okklusionsreaktion effektiv zu beschleunigen.
Der oben beschriebene Prozess wird implementiert, wenn die ECU 50 einen „Prozess zum Einstellen einer Ozonzufuhrmenge, so dass das Molverhältnis von Ozon (O₃) zu Stickstoffmonoxid (NO) in der in den NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp strömenden Gasmischung nicht kleiner als 2 ist” durchführt. Dieser Prozess kann zum Beispiel vor dem Schritt S100 der in 3 gezeigten Routine durchgeführt werden.
(Vierte Modifikation)
Die erste Ausführungsform ist so aufgebaut, dass sie Ozon mit einem außerhalb der katalytischen Vorrichtung 20 installierten Ozonzufuhrvorrichtung 30 und der innerhalb der katalytischen Vorrichtung 20 positionierten Ozoneinspeisöffnung 32 zuführt. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung eines solchen Aufbaus begrenzt. Ozon kann dem Abgas unter Verwendung verschiedener allgemein bekannter Ozonerzeugungsvorrichtungen/verfahren zugegeben werden. Zum Beispiel kann ein Aufbau zum direkten Erzeugen von Ozon durch Plasmaentladung innerhalb des Auslasswegs 12 oder der katalytischen Vorrichtung 20 gebildet sein.
Das NOx-Rückhalteelement mag nicht nur NOx okkludieren, sondern auch NOx adsorbieren. Spezieller mag der NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp 22 nicht nur NOx okkludieren, sondern auch NOx adsorbieren. Daher bedeutet die durch das NOx-Rückhalteelement durchgeführte „Rückhalte”-Operation nicht nur die „Okklusion” von NOx sondern auch die „Adsorption” von NOx.
Es ist bevorzugt, dass die Menge an in der Katalysatorschicht 27 enthaltener NOx-Rückhaltesubstanz im Wesentlich null ist. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung solch einer Katalysatorschicht begrenzt. Die vorliegende Erfindung kann alternativ so aufgebaut sein, dass die Katalysatorschicht 27 eine kleinere Menge der NOx-Rückhaltesubstanz enthält, als die NOx-Rückhalteschicht 26.
Zusammenfassung
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Auslassemissionssteuerapparat bereitzustellen, der mit einem Verbrennungsmotor verwendet wird, um NOx zu okkludieren und zu reduzieren, ohne die Abgasreinigungsfunktion eines Katalysators zu hemmen. Ein NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp und eine Ozonzufuhrvorrichtung sind in dem Auslassweg des Verbrennungsmotors bereitgestellt. Der NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp beinhaltet eine Zelle, in welche ein Abgas strömt. Eine innere Oberfläche der Zelle ist mit einer NOx-Rückhalteschicht und einer Katalysatorschicht so überzogen, dass die NOx-Rückhalteschicht und die Katalysatorschicht in der genannten Reihenfolge von der inneren Oberfläche der Zelle bereitgestellt sind.

10: ein Verbrennungsmotor
12: ein Auslassweg
20: eine katalytische Vorrichtung
22: ein NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp
24: Zelle
25: ein Grundmaterial
26: eine NOx-Rückhalteschicht
27: eine Katalysatorschicht
28: ein Strömweg
30: eine Ozonzufuhrvorrichtung
32: eine Ozoneinspeisöffnung
34: ein Lufteinlass
50: ECU

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2002-89246 A [0002, 0003]
- JP 1993-192535 A [0003]
- JP 539295/2005 A [0003]
- JP 1994-185343 A [0003]
- JP 1998-169434 A [0003]
- JP 3551346 [0003, 0034, 0075]

Claims

Auslassemissionssteuerapparat für einen Verbrennungsmotor, umfassend: einen NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp, welcher in einem Auslassweg des Verbrennungsmotors positioniert ist; und eine Ozonzufuhreinrichtung, welche Ozon zuführt, so dass sich das Ozon mit einem in den NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp strömenden Abgas mischt; wobei der NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp eine Zelle, in welcher das Abgas strömt, beinhaltet, wobei eine innere Oberfläche der Zelle mit einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht überzogen ist, wobei die erste Schicht und die zweite Schicht in der genannten Reihenfolge von der inneren Oberfläche der Zelle bereitgestellt sind, die erste Schicht eine NOx-Rückhaltesubstanz enthält, die zweite Schicht ein Edelmetall beinhaltet und den Durchgang von NOx zulässt, die Menge der NOx-Rückhaltesubstanz in der zweiten Schicht kleiner ist als die in der ersten Schicht.
Auslassemissionssteuerapparat nach Anspruch 1, wobei die Menge der in der zweiten Schicht enthaltenen NOx-Rückhaltesubstanz im Wesentlichen null ist.
Auslassemissionssteuerapparat nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend: eine Ozonzufuhrmengeneinstelleinrichtung zum Einstellen einer Ozonzufuhrmenge, so dass das Molverhältnis von Ozon zu Stickstoffmonoxid (NO) in einer in den NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp strömenden Gasmischung größer als 1 ist.
Auslassemissionssteuerapparat nach Anspruch 3, wobei die Ozonzufuhrmengeneinstelleinrichtung die Ozonzufuhrmenge so einstellt, dass das Molverhältnis von Ozon (O₃) zu Stickstoffmonoxid (NO) in der in den NOx-Katalysator vom Okklusions-Reduktionstyp strömenden Gasmischung nicht kleiner als 2 ist.