DE112007003177T5

DE112007003177T5 - Abgasemissionssteuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE112007003177T5
Application number: DE112007003177T
Authority: DE
Inventors: Hirohito Toyota-shi Hirata; Masaya Toyoto-shi Ibe; Mayuko Toyota-shi Osaki; Masaya Toyoto-shi Kamada
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2007-12-20
Publication date: 2009-11-12
Anticipated expiration: 2027-12-21
Also published as: WO2008081737A1; JP2008163877A; JP4453700B2; CN101578432B; CN101578432A; US20100313552A1; DE112007003177B4

Abstract

Abgasemissionssteuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor, welche aufweist:
einen NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator, der in einem Abgasweg des Verbrennungsmotors angeordnet ist; und
eine Ozonzuführeinrichtung, die Ozon zuführt, so dass sich das Ozon mit dem in den NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator strömenden Abgas vermischt; wobei
der NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator zwei oder mehrere Zellen umfasst, die durch eine Trennwand abgeteilt sind, die ein Durchströmen des Abgases erlaubt,
die zwei oder mehreren Zellen umfassen: eine erste Zelle, die so aufgebaut ist, dass eine stromabwärtige Seite der ersten Zelle abgedeckt ist und eine NOx-Speicherschicht ein NOx-Speicherelement enthält, das auf einer Innenoberfläche der ersten Zelle ausgebildet ist; und eine zweite Zelle, die so aufgebaut ist, dass die zweite Zelle unter Zwischenschaltung der Trennwand neben der ersten Zelle angeordnet ist, eine stromaufwärtige Seite der zweiten Zelle abgedeckt ist und eine ein Edelmetall umfassende Katalysatorschicht an einer Innenoberfläche der zweiten Zelle ausgebildet ist, und
eine Menge...

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Abgasemissionssteuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor.
Stand der Technik
Es ist bekannt, dass eine konventionelle Abgasemissionssteuervorrichtung, die beispielsweise in JP 2002-089246 A offenbart ist, einen NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator umfasst. im obigen bisherigen Stand der Technik ist ein Abgasweg eines Verbrennungsmotors mit einem Katalysator und einer Substanz, die in der Lage ist, NOx einzuschließen, (nachfolgend als ”NOx-Speicherelement” bezeichnet), versehen. Eine solche Anordnung ist so ausgebildet, dass NOx in einem Abgas durch den NOx-Okklusionskatalysator in einer mageren Atmosphäre absorbiert wird und dass das absorbierte NOx in einer fetten Atmosphäre abgegeben, reduziert und zerlegt wird.
Um sicher zu steilen, dass die obere Reaktion reibungslos erfolgt, ist es vorteilhaft, dass der NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator seine Aktivierungstemperatur erreicht und seine Aktivitätsfunktion voll ausübt. Beim Start eines Verbrennungsmotors ist allerdings die Katalysatortemperatur niedrig. Dem Problem begegnen herkömmliche Abgasemissionssteuervorrichtungen damit, dass sie beim Start des Verbrennungsmotors dem Abgas Ozon (O₃) beifügen. Durch Hinzufügen von Ozon zum Abgas wird NOx im Abgas oxidiert und dadurch die NOx-Absorptionsreaktion beschleunigt. Daher ermöglicht der Einsatz der oben beschriebenen herkömmlichen Technologie eine Beschleunigung der NOx-Absorption und Reinigung des Abgases selbst dann, wenn der NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator beispielsweise beim Starten des Verbrennungsmotors noch nicht voll aktiv ist.
Zum Stand der Technik gehören ferner:

JP 1993-192535 A
PCT/JP2005/538295
JP 1994-185343 A
JP 1998-169434 A
JP 3551346 B

Offenbarung der Erfindung
Probleme, die von der Erfindung gelöst werden
Indes ist der oben beschriebene NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator so ausgebildet, dass ein Grundmaterial (das ebenfalls als Träger bezeichnet werden kann) mit einer Schicht, die den Katalysator und das NOx-Speicherelement beinhaltet, beschichtet ist. Dieser Typ von Katalysator neigt dazu, eine kleinere Abgasreinigungsleistung (eine kleinere Reinigungsleistung von NOx, HC und CO) als ein konventioneller Drei-Wege-Katalysator ohne ein NOx-Speicherelement zu haben. Das bedeutet, dass die Abgasreinigungsfunktion des oben beschriebenen NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysators blockiert wird.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um das obige Problem zu lösen. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abgasemissionssteuervorrichtung vorzusehen, die zusammen mit einem Verbrennungsmotor eingesetzt wird und sowohl ein NOx-Speicherelement als auch einen Katalysator verwendet und gleichzeitig eine Abnahme der Abgasreinigungsleistung vermeidet.
Mittel zum Lösen des Problems
Um das oben beschriebene Ziel zu erreichen, weist eine Abgasemissionssteuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung auf:
einen NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator, der in einem Abgasweg des Verbrennungsmotors angeordnet ist; und
eine Ozonzuführeinrichtung, die Ozon zuführt, so dass das Ozon sich mit dem in den NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator strömende Abgas vermischt; wobei
der NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator zwei oder mehrere Zellen umfasst, die durch eine Trennwand, die das Durchströmen des Abgases erlaubt, getrennt werden,
die zwei oder mehreren Zellen umfassen: eine erste Zelle, die so aufgebaut ist, dass die stromabwärtige Seite der ersten Zelle abgedeckt ist und auf einer Innenoberfläche der ersten Zelle eine NOx-Speicherschicht ausgebildet ist, die ein NOx-Speicherelement beinhaltet; und eine zweite Zelle, die so aufgebaut ist, dass die zweite Zelle mit der Trennwand dazwischen neben der ersten Zelle angeordnet ist, die stromaufwärtige Seite der zweiten Zelle abgedeckt ist, an einer Innenoberfläche der zweiten Zelle eine Katalysatorschicht ausgebildet ist, die ein Edelmetall umfasst, und
eine Menge des NOx-Speicherelements, das in der Katalysatorschicht enthalten ist, kleiner ist, als die in der NOx-Speicherschicht.
Der zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Abgasemissionssteuervorrichtung gemäß des ersten Aspektes, wobei die Trennwand, die das Durchströmen des Abgases erlaubt, ein Partikelfilter ist, um im Abgas enthaltene Partikel einzufangen.
Der dritte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Abgasemissionssteuervorrichtung gemäß des ersten oder des zweiten Aspektes, wobei die Katalysatorschicht, die auf der Innenoberfläche der zweiten Zelle ausgebildet ist, so aufgebaut ist, dass die Menge des NOx-Speicherelements, das in der Katalysatorschicht enthalten ist, im Wesentlichen null ist.
Der vierte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Abgasemissionssteuervorrichtung gemäß einem des ersten bis dritten Aspektes, welche ferner eine Ozonzufuhrmengeneinstelleinrichtung aufweist, um die Zufuhrmenge des Ozons einzustellen, so dass das Molverhältnis von Ozon zu Stickstoffmonoxid (NO) im Gasgemisch, das in den NOx-Okklusions- und Reduktionskatalysator strömt, größer als 1 ist.
Der fünfte Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Abgasemissionssteuervorrichtung gemäß dem vierten Aspekt, wobei die Ozonzufuhrmengeneinstelleinrichtung die Zufuhrmenge des Ozons so einstellt, dass das Molverhältnis des Ozons (O₃) zu Stickstoffmonoxid (NO) im Gasgemisch, das in den NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator strömt, nicht kleiner als 2 ist.
Vorteile der Erfindung
Der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung ist so aufgebaut, dass die erste Zelle eine NOx-Speicherschicht umfasst, wohingegen die zweite Zelle eine Katalysatorschicht umfasst. Dadurch kann der Katalysator seine Abgasreinigungsfunktion auf geeignete Weise ausüben. Es ist vorgesehen, dass das NOx-Speicherelement ein Katalysatorgift für ein Edelmetallelement und ein Faktor zum Reduzieren der Abgasreinigungsleistung des Katalysators ist. Gemäß de ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die NOx-Speicherschicht und die Katalysatorschicht in der ersten bzw. zweiten Zelle vorgesehen. Des Weiteren beschleunigt die Ozonzuführeinrichtung eine NOx-Absorptionsreaktion, ohne dabei die Katalysatorschicht zu benutzen. Dadurch macht es der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung möglich, das NOx zu absorbieren und zu reduzieren, während es das NOx-Speicherelement darin hindert, als ein Katalysatorgift zu wirken, um die Abgasreinigungsfunktion intakt zu halten.
Der zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung ermöglicht dem Katalysator seine Abgasreinigungsfunktion richtig auszuüben und erlaubt der Trennwand im Abgas enthaltene Partikel einzufangen.
Der dritte Aspekt der vorliegenden Erfindung macht es möglich, den Einfluss des Katalysatorgiftes mit höherer Effektivität als beim ersten Aspekt zu unterdrücken.
Gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann NO im Abgas oxidiert werden, um NO₃, N₂O₅ und andere Stickoxide einer höheren Ordnung als NO₂ (auch HNO₃, falls Wasser existiert) zu erzeugen. Dies ermöglicht es, die Menge von NO₃, N₂O₅ und anderer Stickoxide höherer Ordnung als NO₂, die in dem in ein NOx- Speicherelement strömenden Abgas enthalten sind, zu erhöhen. Als Ergebnis kann eine NOx-Absorptionsreaktion beschleunigt werden, um die Abgasreinigungsleistung zu erhöhen.
Gemäß dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung kann je nach Bedarf eine ausreichende Menge an Ozon zugeführt werden, um NO₃, N₂O₅ und andere Stickoxide höherer Ordnung als NO₂ (auch HNO₃, falls Wasser existiert) durch Oxidation von NO zu erzeugen. Als ein Ergebnis kann die NOx-Absorptionsreaktion effektiv beschleunigt werden, um die Abgasreinigungsleistung zu erhöhen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm, das die Anordnung einer Abgasemissionssteuervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
2A und 2B sind Diagramme, die den Aufbau der Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigen.
3 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Routine zeigt, welche die ECU 50 in 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.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Erste Ausführungsform
[Anordnung der ersten Ausführungsform]
1 ist ein Diagramm, das eine Abgasemissionssteuervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie in 1 gezeigt, umfasst die Abgasemissionssteuervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform eine Katalysatorvorrichtung 20, die in einem Abgasweg 12 eines Verbrennungsmotors 10 angeordnet ist. Ein NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator 80 ist in der Katalysatorvorrichtung 20 angeordnet. Soweit die Abgasemissionssteuervorrichtung wie oben beschrieben aufgebaut ist, strömt ein Abgas, das durch den Abgasweg 12 strömt, in die Katalysatorvorrichtung 20 und anschließend in den NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator 80.
2A und 2B sind Querschnittsansichten, die die Konfiguration des NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator 80 zeigen. Die Querschnittsansichten des NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator 80 verlaufen entlang der Richtung der Abgasverteilung. Die linke Seite der 2 entspricht der stromaufwärtige Seite, in die das Abgas strömt, wobei die rechte Seite der 2 der stromabwärtige Seite entspricht, von der das Abgas, das während seines Durchflusses durch den NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator 80 gereinigt wird, strömt.
2A zeigt schematisch den Gesamtaufbau des NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator 80. Der NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator 80 wird durch Beschichten eines in 2A gezeigten Grundmaterials 82 mit einer NOx-Speicherschicht und einer Katalysatorschicht, die später beschrieben werden, gebildet. Das Grundmaterial 82 ist ein bienenwabenförmiges Keramikgrundmaterial. Das Innere des Grundmaterials 82 wird zur Bildung einer Vielzahl von Zellen durch eine Trennwand aufgeteilt.
Wie in 2A gezeigt, umfasst das Grundmaterial 82 eine Abgaseinströmzelle 90, die an ihrer stromaufwärtigen Seite (die linke Seite der Figur) geöffnet und an ihrer stromabwärtigen Seite (die rechte Seite der Figur) geschlossen ist; und eine Abgasabströmzelle 96, die an ihrer stromaufwärtigen Seite geschlossen und an ihrer stromabwärtigen Seite offen ist. Diese Zellen erstrecken sich in Richtung des Abgasstroms (in Links-Rechts-Richtung in 2A).
2B ist eine vergrößerte Teilansicht des NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysators 80. Sie zeigt die Konfiguration von Zellen, die der NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator 80 umfasst. Wie zuvor beschrieben, ist die Abgaseinströmzelle 90 so aufgebaut, dass ihre stromaufwärtige Seite offen ist, um ein Einströmen des Abgases zu erlauben. Die stromabwärtige Seite der Abgaseinströmzelle 90 ist geschlossen, um das Strömen des Abgases zu blockieren.
Die Innenoberfläche der Abgaseinströmzelle 90 ist mit einer NOx-Speicherschicht 92 versehen. Die NOx-Speicherschicht 92 wird durch Beschichten der Innenoberfläche der Abgaseinströmzelle 90 mit einem NOx-Speicherstoff, der BaCO₃ enthält, gebildet. BaCO₃ hat die Funktion eines NOx-Speicherelements (das ebenso als ein NOx-Absorptionsmittel bezeichnet werden kann), das NOx im Abgas in Form von Nitrat (oder genauer gesagt Ba(NO₃)₂) absorbiert. Das absorbierte Ba(NO₃)₂ wird aktiv freigesetzt, vor allem wenn das Abgas fett ist oder wenn die Temperatur des NOx-Speicherelements hoch ist. Des Weiteren ist die NOx-Speicherschicht 92 gasdurchlässig, um das Durchströmen des Abgases zu erlauben.
Die Abgasausströmzelle 96 andererseits ist so aufgebaut, dass ihre stromabwärtige Seite offen ist, während ihre stromaufwärtige Seite geschlossen ist. Das ermöglicht, dass das in der Ausströmzelle 96 enthaltene Gas, stromabwärts und aus dem NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator 80 strömt.
Die Innenoberfläche der Abgasausströmzelle 96 ist mit einer Katalysatorschicht 94 versehen. Die Katalysatorschicht 94 wird durch Beschichten der Innenoberfläche der Abgasausströmzelle 96 mit einem Pt oder einem anderen Edelmetall enthaltenden Katalysatorstoff gebildet. Pt oder andere Edelmetalle fungieren als eine aktiveStelle, die gleichzeitig die Oxidationsreaktion von CO und HC und die Reduktionsreaktion von NOx aktiviert. Die Katalysatorschicht 94 funktioniert dadurch als Drei-Wege-Katalysator, der gleichzeitig NOx, CO und HC reinigt. Des Weiteren ist die Katalysatorschicht 94 gasdurchlässig, um ein Durchströmen des Abgases zu erlauben.
Wie in 2B gezeigt, ist die Abgaseinströmzelle 90 mit einem Trennwandabschnitt 86 aus dem Grundmaterial 82 dazwischen neben der Abgasausströmzelle 96 angeordnet. Der Trennwandabschnitt 86, der gasdurchlässig ist, um ein Durchströmen des Abgases zu erlauben, fungiert als ein Filter, der verschiedene im Abgas enthaltene Partikel (die als PM abgekürzt werden können). einfängt, wenn das Abgas durch den Trennwandabschnitt 86 strömt.
Wenn die oben beschriebene Anordnung verwendet wird, strömt das in den NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator 80 strömende Abgas zuerst in die Abgaseinströmzelle 90 und durchströmt nacheinander die NOx-Speicherschicht 92, den Trennwandabschnitt 86 und die Katalysatorschicht 94, erreicht die Abgasausströmzelle 94 und strömt stromabwärts aus der Abgasausströmzelle 94 hinaus (siehe die Pfeile in 2B). Dies ermöglicht, dass das durch den NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator 80 strömende Abgas soweit als erforderlich mittels der NOx-Absorption, Partikelentfernung und Drei-Wege-Aktivierung während seines Verteilungsvorgangs gereinigt wird.
Das Grundmaterial 82, der honigwabenförmig ist so aufgebaut, das er alternierend die einströmseitige Öffnung schließt und die abströmseitige Öffnung der einzelnen Zellen öffnet. Dieses Grundmaterial ist ähnlich einem Dieselpartikelfilter (DPF oder einfach als ”Partikelfilter” bezeichnet), der normalerweise dazu eingesetzt wird, Partikel im Abgas einzufangen. Dadurch kann falls erforderlich der oben beschriebene allgemein bekannte DPF als Grundmaterial 82 der ersten Ausführungsform verwendet werden.
Wie in 1 gezeigt, umfasst die Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform eine Ozonzuführeinrichtung 30. Die Ozonzuführeinrichtung 30 steht mit einem Lufteinlass 34 in Verbindung. Die Ozonzuführeinrichtung 30 kann Luft aus dem Lufteinlass 34 sammeln, Ozon (O₃) erzeugen und das Ozon stromabwärts zuführen. Die Konfiguration, Funktion und andere Eigenschaften eines Ozonerzeugers, der aus Luft Ozon erzeugt, wird nicht im Detail beschrieben, da eine Vielfalt verwandter Technologien öffentlich bekannt ist.
Die Ozonzuführeinrichtung 30 hat eine Ozoneinspritzdüse 32, die ein Gas innerhalb der Katalysatorvorrichtung 20 einspritzt. Die Ozoneinspritzdüse 32 ist stromaufwärts des NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator 80 in der Katalysatorvorrichtung 20 angeordnet. Wenn dieser Aufbau verwendet wird, um Ozon von der Ozoneinspritzdüse 32 einzuspritzen, kann Ozon oder Luft zum durch den Abgasweg 12 strömenden Abgas hinzugefügt werden. Das hinzugefügte Ozon oder die hinzugefügte Luft vermischt sich dann mit dem Abgas, so dass das resultierende Gasgemisch in den NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator 80 strömt.
Die Abgasemissionssteuervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform umfasst eine ECU (Electronic Control Unit) 50. Die ECU 50 ist mit der Ozonzuführeinrichtung 30 verbunden. Die ECU 50 überträgt ein Steuersignal an die Ozonzuführeinrichtung 30, um Zeitpunkt und Menge der Ozoneinspritzung zu steuern. Der Einsatz der oben beschriebenen Konfiguration macht es möglich, Ozon zu einem bestimmten Zeitpunkt zuzuführen.
Um effizient eine NOx-Absorptionsreaktion anzustoßen, in der die NOx-Speicherschicht 92 NOx in dem Abgas absorbiert, ist es vorteilhaft, dass NOx im Abgas weitgehend oxidiert wird. In der ersten Ausführungsform kann die Ozonzuführeinrichtung 30 Ozon zum Abgas wie benötigt hinzufügen. Dies macht es möglich, das Abgas durch Oxidation von NOx im Abgas während der Gasphasenreaktion effektiv zu reinigen.
Die ECU 50 ist beispielsweise ebenso mit verschiedenen Sensoren verbunden, die in dem Verbrennungsmotor 10 vorgesehen sind. Dadurch kann die ECU 50 Informationen sammeln, beispielsweise über die Temperatur, die Motordrehzahl Ne, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F, die Last und die Menge der Ansaugluft des Verbrennungsmotors 10.
[Merkmale der ersten Ausführungsform]
(Merkmale der Konfiguration)
Wie zuvor beschrieben, ist das in der NOx-Speicherschicht enthaltene NOx-Speicherelement (BaCO₃ in der ersten Ausführungsform) Speicher in der Lage, NOx in dem Abgas zu absorbieren. Das in dem Katalysator enthaltene Edelmetall erhält die Katalysatorfunktion (Pt, Rh, PD usw. in der ersten Ausführungsform) funktioniert als eine aktive Stelle während der Abgasreinigung. Um eine NOx-Absorptionsreduktion und eine Abgasreinigung mit hoher Effizienz zu erreichen, ist es wichtig, dass die obigen Funktionen effektiv in einer koordinierten Art und Weise durchgeführt werden.
Es sind verschiedene konventionelle Katalysatoren bekannt, die durch Integration des oben erwähnten NOx-Speicherelements und Katalysators gebildet werden. Diese Katalysatoren sind beispielsweise in dem japanischen Patent Nr. 3551346 offenbart, und werden auch als ”NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator” oder ”NSR-Katalysator” bezeichnet. Der NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator kann die NOx-Absorptionsreaktion durch Förderung der Oxidation von NOx beschleunigen. Des Weiteren kann der Katalysator das Abgas reinigen, wenn NOx freigesetzt werden muss.
Wenn jedoch das NOx-Speicherelement mit dem oben beschriebenen Katalysator kombiniert wird, wird die Abgasreinigungsleistung des Katalysators (die Leistung zur Reinigung von NOx, HC und CO) geringer als die eines konventionellen Drei-Wege-Katalysators, der kein NOx-Speicherelement umfasst. Der Grund dafür ist, dass das NOx-Speicherelement als ein Katalysatorgift für den Katalysator (Edelmetallelement) wirkt und die Aktivierungsfunktion des Katalysatorsbeeinträchtigt. Um eine Abgasreinigung mit hoher Effizienz zu erreichen, sollte vorteilhafterweise so ein nachteiliger Effekt vermieden werden, um die Funktion des Katalysators vollständig ausführen zu können.
In Anbetracht der obigen Umstände wird bei der Abgasemissionssteuervorrichtung gemäß der Ausführungsform der NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator 80 gebildet, indem Zufuhr die Abgaseinströmzelle 90 mit der NOx-Speicherschicht 92 und die Abgasausströmzelle 96 mit der Katalysatorschicht 94 versehen werden, wodurch die NOx-Speicherschicht 92 und die Katalysatorschicht 94 voneinander unabhängig gestaltet sind. Wie zuvor angesprochen, nimmt die Abgasreinigungsleistung des Katalysators ab, wenn das NOx-Speicherelement als Katalysatorgiftwirkt. Die erste Ausführungsform verhindert, dass das NOx-Speicherelement als Katalysatorgift für die Katalysatorschicht 94 wirkt, weil die NOx-Speicherschicht 92 und die Katalysatorschicht 94 durch die Anordnung des Trennwandabschnitts 86 dazwischen voneinander unabhängig gemacht werden. Im Folgenden sind die Vorgänge beschrieben, die für die NOx-Absorption und die NOx-Freisetzung durchgeführt werden, wenn die Anordnung gemäß der ersten Ausführungsform verwendet wird.
(Betrieb für die NOx-Absorption)
Wie zuvor beschrieben, ist der NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator 80 gemäß der ersten Ausführungsform so aufgebaut, dass die Katalysatorschicht 94 der Innenoberfläche der Abgasausströmzelle 96 ausgebildet ist. Die Katalysatorschicht 94 umfasst Pt oder ein anderes Edelmetall und kann gleichzeitig NOx, CO und HC reinigen (diese Funktion wird nachfolgend als die ”Abgasreinigungsfunktion” bezeichnet). Allerdings ist es notwendig, dass der Katalysator auf eine adäquate Aktivierungstemperatur aufgeheizt wird, um dem Katalysator die Durchführung seiner Abgasreinigungsfunktion zu ermöglichen. Dadurch ist es schwierig, das NOx beinhaltende Abgas zu reinigen, wenn der Verbrennungsmotor 10 startet, insbesondere bei kalten Temperaturen, weil die Temperatur des NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysators 80 niedrig ist.
Deshalb bewirkt die vorliegende Ausführungsform in der obigen Situation, dass die NOx-Speicherschicht 92 NOx absorbiert. Um ferner eine solche NOx-Absorption zu beschleunigen, verwendet die vorliegende Ausführungsform die Ozonzuführeinrichtung 30, um Ozon zuzuführen, so dass sich das Ozon mit dem Abgas, das in den NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator 80 strömt, vermischt. Wenn Ozon in der oben beschriebenen Art und Weise dem Abgas hinzugefügt wird, wird das NOx im Abgas oxidiert, um eine NOx-Absorption zu erleichtern.
Das durch das Ozon oxidierte NOx strömt in die Abgaseinströmzelle 90 und erreicht die NOx-Speicherschicht 92. Dann findet eine Absorptionsreaktion in der NOx-Speicherschicht 92 statt, so dass NOx als Nitrat absorbiert wird. Wenn der oben beschriebene Vorgang durchgeführt wird, kann verhindert werden, dass das NOx im Abgas in der Katalysatorvorrichtung 20 stromabwärts strömt, selbst in einer Situation, in der die Katalysatorschicht 94 noch nicht ihre Aktivierungstemperatur beim Starten des Verbrennungsmotors 10 erreicht hat.
(Betrieb für die NOx-Freigabe)
Wenn die zuvor erwähnte NOx-Absorption nach dem Starten des Verbrennungsmotors 10 stattfindet, steigt die Temperatur des NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysators 80. Dadurch erreicht die Temperatur der Katalysatorschicht 94 in dem NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator 80 eine Aktivierungstemperatur, wenn eine adäquate Zeitdauer nach dem Starten des Verbrennungsmotors 10 verstrichen ist. Infolgedessen schaltet die erste Ausführungsform die Zufuhr von Ozon ab und führt eine Steuerung zur leichten Anreicherung der Kraftstoffeinspritzmenge des Verbrennungsmotors 10 durch, wenn die Katalysatorschicht 94 ihre Aktivierungstemperatur erreicht hat und bereit ist, ihre Abgasreinigungsfunktion voll auszuführen.
Wenn die Zufuhr von Ozon abgeschaltet wird, endet die Beschleunigung der NOx-Absorptionsreaktion. Wenn die Temperatur des NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysators 80 hoch ist, ist ferner auch die Temperatur der NOx-Speicherschicht 92 hoch. Wenn die Temperatur ansteigt und die Luft angefettet wird, dann setzt die NOx-Speicherschicht 92 aktiv das absorbierte NOx frei. Dadurch findet aufgrund der oben beschriebenen Steuerung aktiv die NOx-Freigabereaktion statt.
Wenn NOx von der NOx-Speicherschicht 92 freigesetzt wird, strömt das freigesetzte NOx durch den Trennwandabschnitt 86 und erreicht die Katalysatorschicht 94. Das NOx in der Katalysatorschicht 94 ist dann durch HC und andere Reduktionsmittel, die im Abgas enthalten sind zu N₂, H₂O, CO₂ usw. reduziert. Wie zuvor beschrieben, ist die vorliegende Ausführungsform so aufgebaut, dass die NOx-Speicherschicht 92 und die Katalysatorschicht 94 voneinander unabhängig ausgebildet sind. Diese Anordnung verhindert, dass das NOx-Speicherelement als ein Katalysatorgift für die Katalysatorschicht 94 wirkt. Infolgedessen macht die vorliegende Erfindung es möglich, das Abgas effektiv zu reinigen, ohne die Abgasreinigungsfunktion der Katalysatorschicht 94 zu blockieren.
Wie zuvor beschrieben, verhindert die vorliegende Ausführungsform auf sichere Weise, dass das NOx-Speicherelement als ein Katalysatorgiftwirkt, weil die NOx-Speicherschicht 92 und die Katalysatorschicht 94 mit der dazwischen angeordneten Trennwandabschnitt 86 voneinander unabhängig ausgebildet sind. Das macht es möglich, zuverlässig zu verhindern, dass die Abgasreinigungsfähigkeit der Katalysatorschicht 94 gehemmt wird. Des Weiteren veranlasst die vorliegende Ausführungsform die Ozonzuführeinrichtung 30 Ozon zuzuführen und die NOx-Absorptionsreaktion ohne Gebrauch des Katalysators zu beschleunigen. Daher kann NOx absorbiert und reduziert werden, während die Abgasreinigungsfunktion des Katalysators voll ausgeübt wird.
Zusätzlich kann bei der Verwendung eines ozonbasierten NOx-Oxidationsverfahrens das NOx mit einer höheren Sicherheit während der Gasphasenreaktion ohne Benutzung des Katalysators oxidiert werden, auch dann, wenn die Temperatur zu diesem Zeitpunkt gering ist, wie z. B. beim Starten des Verbrennungsmotors. Des Weiteren entsteht bei Vorkommen von Wasserdampf Salpetersäure, welches leicht mit dem NOx-Speicherelement reagiert. Dies macht es möglich, NOx mit großer Effizienz zu absorbieren.
[Details des durch die erste Ausführungsform ausgeführten Prozesses]
Ein durch die Abgasemissionssteuervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform durchgeführter Prozess wird nun im Detail mit Bezugnahme auf die 3 beschrieben. 3 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Routine darstellt, die die ECU 50 in der ersten Ausführungsform ausführt. Die Routine wird ausgeführt, wenn der Verbrennungsmotor 10 bei einer niedrigen Temperatur startet (z. B. bei einem Kaltstart).
Zuerst führt die in 3 gezeigte Routine den Schritt S100 zur Zufuhr von Ozon aus. Genauer gesagt übermittelt die ECU 50 ein Steuersignal and die Ozonzuführeinrichtung 30, so dass Ozon bei einer vorherbestimmten Strömungsrate zugeführt wird. Eine Ozoneinspritzung findet dann in Abhängigkeit des Steuersignals statt. Als Ergebnis wird NO im Abgas zu NO₃ oxidiert, so dass eine Absorptionsreaktion effizient innerhalb der NOx-Speicherschicht 92 stattfindet.
Als nächstes führt die Routine Schritt S110 aus, um zu beurteilen, ob eine Bedingung für die Abschaltung der O₃-Zufuhr vorliegt. Genauer gesagt wird Schritt S110 durchgeführt, um zu beurteilen, ob eine bestimmte Zeitdauer, die notwendig ist, dass die Katalysatorschicht 94 ihre Aktivierungstemperatur erreicht, verstrichen ist. Die bestimmte Zeitdauer kann beispielsweise auf Basis eines Experiments vorbestimmt werden. Wenn das erhaltene Beurteilungsergebnis nicht anzeigt, dass eine Bedingung für die Abschaltung der O₃-Zufuhr vorliegt, schließt die Routine daraus, dass die Katalysatorschicht 94 noch nicht ihre Aktivierungstemperatur erreicht hat und wiederholt den Schritt S100 und die nachfolgenden.
Wenn aber auf der anderen Seite das erhaltene Beurteilungsergebnis anzeigt, dass ein Zustand für die Abschaltung der O₃-Zufuhr vorliegt, fährt die Routine mit Schritt S130 fort, schaltet die Zufuhr von O₃ ab und steuert den Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 so, dass sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis von stöichiometrisch zu leicht fett verändert. Als ein Ergebnis wird das adsorbierte NOx in der NOx-Speicherschicht 92 freigegeben. Das freigesetzte NOx strömt dann durch den Trennwandabschnitt 86, erreicht die Katalysatorschicht 94 und wird reduziert und gereinigt. Anschließend kommt die Routine zu einem Ende.
Wenn der oben beschriebene Prozess durchgeführt wird, kann auf zuverlässige Weise verhindert werden, dass das NOx-Speicherelement als ein Katalysatorgift wirkt, und kann eine NOx-Absorptionsreduktion erzielt werden, während die Abgasreinigungsfunktion der Katalysatorschicht 94 voll ausgeführt wird. Des Weiteren kann bei Verwendung einer ozonbasierten NOx-Oxidationsmethode NOx ohne den Katalysator sicher oxidiert werden, auch dann wenn die Temperatur zu diesem Zeitpunkt gering ist, wie beispielsweise beim Starten des Verbrennungsmotors,. Dies macht es möglich, exzellente Emissionscharakteristiken zu erzielen.
Wie zuvor beschrieben, besteht der Trennwandabschnitt 86 gemäß der ersten Ausführungsform aus einem Material, das in der Lage ist, im Abgas enthaltene Partikel einzufangen. Dadurch können Partikel eingefangen werden, wenn das Abgas durch den Trennwandabschnitt 84 strömt. Spuren von Partikeln können nicht nur von einem Dieselmotor erzeugt werden, sondern ebenso von einem Benzinmotor. Es ist deswegen wichtig, dass Partikel effektiv entfernt werden, ganz gleich, welcher Typ Verbrennungsmotor benutzt wird. Die vorliegende Ausführungsform kann nicht nur eine NOx-Absorption und -Reduktion und eine Abgasreinigung erreichen, sondern ebenso eine effektive Entfernung von erzeugten Partikeln.
Des Weiteren ist die erste Ausführungsform so aufgebaut, dass die Abgaseinströmzelle 90 in einer Linie mit einer Oberfläche des Grundmaterials 82 geöffnet ist (die linke Seitenoberfläche von 2), wohingegen die Abgasausströmzelle 96 in einer Linie mit der anderen Oberfläche des Grundmaterials 82 geöffnet ist (die rechte Seitenoberfläche von 2). Soweit die obige Konfiguration eingesetzt wird, ist es einfach, die Abgaseinströmzelle 90 mit der NOx-Speicherschicht 92 und die Abgasausströmzelle 96 mit der Katalysatorschicht 94 versehen. Dadurch ist der Aufbau gemäß der ersten Ausführungsform insofern ausgezeichnet, als er es möglich macht, die NOx-Speicherschicht 92 und die Katalysatorschicht 94 voneinander isoliert auszubilden, und als er es leicht möglich macht, diese individuell auszubilden.
In der ersten Ausführungsform, die zuvor beschrieben wurde, entspricht der NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator 80 dem ”NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator” gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung und die Ozonzuführeinrichtung 30 der ”Ozonzuführeinrichtung” gemäß dem ersten Aspekt. Des Weiteren entspricht der Trennwandabschnitt 36 des Grundmaterials 82 in der ersten Ausführung, wie sie zuvor beschrieben worden ist, der ”Trennwand” gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, die Abgaseinströmzelle 90 der ”ersten Zelle” gemäß dem ersten Aspekt, die Abgasausströmzelle 96 der ”zweiten Zeile” gemäß dem ersten Aspekt, die NOx-Speicherschicht 92 der ”NOx-Speicherschicht” gemäß dem ersten Aspekt und die Katalysatorschicht 94 der ”Katalysatorschicht” gemäß de ersten Aspekt.
Des Weiteren entspricht der Trennwandabschnitt 86 der ersten Ausführung, die zuvor beschrieben worden ist, dem ”Partikelfilter” gemäß des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung.
[Ergebnisse des Experiments für die erste Ausführungsform]
Die Ergebnisse des Experiments für die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezugnahme auf die 4 bis 7 beschrieben.
(Aufbau des Messsystems)
4 zeigt ein Messsystem, das für das Experiment verwendet wurde. Das Messsystem umfasst einen Mustergasgenerator 230 und eine Vielzahl von Gaszylindern 232, um ein Mustergas zu erzeugen, das dem Abgas eines Verbrennungsmotors entspricht. Der Mustergasgenerator 230 kann das Gas in den Gaszylindern 232 mischen, um das folgende Simulationsgas zu kreieren: Simulationsgaszusammensetzung

C₃H₆ 1000 ppm

CO 7000 ppm

NO 1500 ppm

O₂ 7000 ppm

CO₂ 10%

H₂O 3%

N₂ Rest
Der Mustergasgenerator 230 steht in Verbindung mit einem elektrischen Ofen, in dem ein Teststück 222 angeordnet ist. 5 ist eine vergrößerte Ansicht des Teststücks 222 und seiner Umgebung. Wie in 5 gezeigt, ist das Teststück 222 so aufgebaut, dass ein Ausführungsmuster 224 in einer Quarzröhre untergebracht ist. Das Experiment schließt die Verwendung eines Vergleichsmusters ein, für das das gleiche Experiment ausgeführt wird, wie für das Ausführungsmuster 224 mit einem später beschriebenen Vergleichsmuster, das anstelle des Ausführungsmusters 224 ausgetauscht wurde.
Das in 4 gezeigte Messsystem umfasst einen Sauerstoffzylinder 240. Das stromabwärtige Ende des Sauerstoffzylinders 240 steht in Verbindung mit Strömungsratensteuereinheiten 242, 244. Die Strömungsratensteuereinheit 242 steht in Verbindung mit dem Ozongenerator 246. Der Ozongenerator 246 erhält Sauerstoff, das von dem Sauerstoffzylinder 240 zugeführt wird, und erzeugt Ozon. Der Ozongenerator 246 steht durch einen Ozonanalysator 248 und einer Strömungsratensteuereinheit 250 mit dem stromabwärtigen Ende des Mustergasgenerators 230 und dem stromaufwärtigen Ende des Teststücks 222 in Verbindung.
Des Weiteren steht das stromabwärtige Ende der Strömungsratensteuereinheit 244 direkt in Verbindung mit dem Ozonanalysator. In einer Situation, in der die oben beschriebene Anordnung verwendet wird, führt der Ozongenerator 246 durch Einschalten ein Gasgemisch aus O₃ und O₂ dem stromaufwärtigen Ende des Teststücks 222 zu, wobei der Ozongenerator 246 durch Ausschalten nur O₂ dem stromaufwärtigen Ende des Teststücks 222 zuführt.
Wenn die Strömungsratensteuereinheiten 242, 244 und der Ozongenerator 246 wie vorgesehen verwendet werden, macht das in 4 gezeigte Messsystem es möglich, die folgenden beiden Arten von Gasen zu erzeugen, die sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden. Jedes dieser Gase wird in das Teststück 222 eingespritzt und nachfolgend einfach als ein ”Einspritzgas” bezeichnet.
Einspritzgaszusammensetzung

(1) O₃ 30000 ppm; O₂ Rest
(2) nur O₂

Die Strömungsratensteuereinheit 250 kann das Einspritzgas mit einer gewünschten Strömungsratezuführen.
Abgasanalysatoren 260, 262 und ein Ozonanalysator 264 sind stromabwärts des Teststücks 222 angeordnet. Diese Analysatoren können Gaskomponenten messen, die aus dem Teststück 222 strömen.
Die folgenden Messinstrumente wurden während des Experiments verwendet:

Ozongenerator 246; Iwasaki Electric, OP100W
Ozongenerator 248 (stromaufwärts); Ebara Jitsugyo, EG600
Ozongenerator 264 (stromabwärts); Ebara Jitsugyo, EG2001B
Abgasanalysatoren 260, 262; Horiba, MEXA9100D (HO-/CO-/NOx-Messung); Horiba, VAI-510 (CO₂-Messung)

(Musterpräparationsverfahren)
Die 6A und 6B illustrieren ein Ausführungsmuster und ein Vergleichsmuster, die während des Experiments verwendet wurden. 6A zeigt ein Ausführungsmuster 224, das ebenso in 5 gezeigt ist. Das Ausführungsmuster 224 hat den gleichen Aufbau wie der NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator 80 gemäß der ersten Ausführungsform. 6B zeigt ein Vergleichsmuster 324. Das Vergleichsmuster 324 verwendet das gleiche wabenförmige Grundmaterial wie das Ausführungsmuster 224, allerdings ist es auf eine andere Weise als das für das Ausführungsmuster 224 Verwendete beschichtet.
Das in 6A gezeigte Ausführungsmuster 224 wurde durch Durchführung des unten beschriebenen Verfahrens präpariert. Zunächst wurde γ-Al₂O₃ in einem ionenaustauschenden Wasser gelöst. Eine wässrige Lösung von Bariumacetat wurde dann hinzugefügt. Die resultierende Mischung wurde dann erhitzt, um Wasser daraus 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 dann in eine Ammoniumhydrogenkarbonat enthaltende Lösung eingetaucht und dann bei 250°C getrocknet, um Barium zu erhalten, das auf Al₂O₃ geträgert war (nachfolgend als der ”Barium-geträgerter Katalysator” bezeichnet). Die Auftragungsmenge an Barium war 0,2 Mol pro 120 g Al₂O₃.
Als nächstes wurde γ-Al₂O₃ in einem ionenaustauschenden Wasser gelöst. Eine Dinitrodiamminplatin enthaltende wässrige Lösung wurde dann zum Trägern von Platin hinzugefügt. Das resultierende Gemisch wurde getrocknet, pulverisiert und für eine Stunde bei 450°C gebrannt, um Platin zu erhalten, das auf Al₂O₃. geträgert war (nachfolgend als ”Platin-geträgerter Katalysator” bezeichnet). Die Auftragungsmenge von Platin war 4 g pro 120 g γ-Al₂O₃.
Als nächstes wurde ein 33 mm im Durchmesser, 50 mm langer, 12 mil/300 cpsi Corderit-DPF (nachfolgend als das Grundmaterial 282 bezeichnet) vorbereitet. Wie zuvor beschrieben, hat der DPF den gleichen Aufbau wie das Grundmaterial 82 gemäß der ersten Ausführung. Dadurch wurde im Experiment der DPF als Grundmaterial 282 verwendet. Eine Oberfläche des Grundmaterials 282 (die linke Seitenoberfläche in 6A) wurde mit dem Barium-geträgerten Katalysator beschichtet und für eine Stunde bei 450°C gebrannt, um eine NOx-Speicherschicht zu erhalten. Die Beschichtungsmenge war so, dass Al₂O₃ mit einer Rate von ungefähr 60 g/l beschichtet wurde.
Als nächstes wurde die andere Oberfläche des Grundmaterials 282 (die rechte Seitenoberfläche in 6A), die wie zuvor beschrieben beschichtet wurde, mit dem Platin-geträgerten Katalysator beschichtet. Das beschichtete Grundmaterial 282 wurde für eine Stunde bei 450°C gebrannt, um eine Katalysatorschicht zu erhalten. Die Beschichtungsmenge war so, dass Al₂O₃ mit einer Rate von 60 g/l beschichtet wurde. Als Ergebnis des oben beschriebenen Prozesses wurde ein Ausführungsmuster 224 gewonnen, das dem NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator 80 gemäß der ersten Ausführungsform entspricht.
Folglich war das erhaltene Ausführungsmuster 224 dergestalt, dass die komplette Pt-Auftragungsmenge 2 g war und dass die Barium-Auftragungsmenge 0,1 Mol/120 g Al₂O₃ war, und weiterhin, dass die Beschichtungsmenge 120 g/l (Al₂O₃) war.
Zwischenzeitlich wurde das in 6B dargestellte Vergleichsmuster 324 bereitgestellt, indem die nachfolgend beschriebene Prozedurdurchgeführt wurde. Zunächst wurde γ-At₂O₃ in einem ionenaustauschenden Wasser gelöst. Eine wässrige Lösung von Bariumacetat wurde dann hinzugefügt. Das resultierende Gemisch wurde erhitzt, um das Wasser daraus 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 enthaltenden Lösung eingetaucht und dann bei 250°C getrocknet, um einen Barium-geträgerten Katalysator zu erhalten.
Der gewonnene Barium-geträgerte Katalysator wurde im ionenaustauschenden Wasser gelöst. Eine Dinitrodiamminplatin enthaltende wässrige Lösung wurde dann zum Trägern von Pt hinzugefügt. Das resultierende Gemisch wurde getrocknet, pulverisiert und für eine Stunde bei 450°C gebrannt. In dieser Weise wurde ein beschichteter Vergleichskatalysator gewonnen. Der gewonnene Katalysator war dergestalt, dass die Barium-Auftragungsmenge 0,1 Mol pro 120 g γ-Al₂O₃ war und dass die Platin-Auftragungsmenge 2 g pro 120 g γ-Al₂O₃ war.
Als nächstes wurden beide Oberflächen eines Grundmaterials 382 (die linken und rechten Oberflächen von 6B), die die gleiche Struktur haben wie der Grundmaterial 282, mit dem Vergleichsbeschichtungskatalysator, der wie zuvor beschrieben vorbereitet wurde, beschichtet und für eine Stunde bei 450°C gebrannt. Eine Oberfläche wurde beschichtet, so dass Al₂O₃ mit einer Rate von 60 g/l beschichtet wurde. Die gesamte Beschichtungsmenge einschließlich beider Oberflächen war so, dass Al₂O₃ mit einer Rate von 120 g/l beschichtet wurde.
Folglich ist das vorbereitete Vergleichsmuster 324 ähnlich dem Ausführungsmuster 224, bei dem die gesamte Pt-Auftragungsmenge 2 g war und bei dem die Ba-Auftragungsmenge 0,1 Mol/120 g Al₂O₃ war und bei dem des Weiteren die Beschichtungsmenge 120 g/l (Al₂O₃) war. Wie zuvor beschrieben, wurden das Ausführungsmuster 224 und das Vergleichsmuster 324 so aufgebaut, dass sie die gleiche Mengen an Pt und Ba enthalten.
(Beschreibung des Experiments)
In dem zuvor beschriebenen Messsystem wurden das zuvor erwähnte Simulationsgas und das zuvor erwähnte Einspritzgas kombiniert und dem Teststück 222 unter folgenden Bedingungen zugeführt. Der elektrische Ofen wurde so gesteuert, dass die Katalysatortemperatur um die folgende Rate anstieg. Die Mengen der stromabwärts strömenden Gaskomponenten, wurden dann bestimmt.

Temperatur: 30°C bis 500°C
Temperaturanstiegsrate: 10°C/Min (konstant)
Simulationsgasströmungsrate: 30 l/Min.
Einspritzgasströmungsrate: 6 l/Min.

Das Einspritzgas wurde zugeführt, als die Temperatur zwischen 30°C und 300°C war. Als die Temperatur zwischen 300°C und 500°C war, wurde nur das Simulationsgas verteilt, ohne das Einspritzgas zuzuführen.
(Berechnungsmethode der Reinigungseffizienz)
Die 7A bis 7C sind Bilder, die zeigen, wie die Abgasreinigungseffizienz im Experiment berechnet wurde. 7A ist ein Bild, das die Menge einer Komponente des bereitgestellten Abgases zeigt, das durch Multiplizieren der Simulationsgaskonzentration mit der Testzeit bestimmt wurde. Gemäß dem Bild wurde die Menge einer Komponente des innerhalb eines Messzeitraums zugeführten Abgases im Experiment berechnet, indem das Produkt aus der Komponentenkonzentration im Simulationsgas und einer Simulationsgasströmungsrate mit der Testzeit multipliziert wurde.
7B ist ein Bild, das die Menge einer Komponente des stromabwärts strömenden Abgases zeigt, welche bestimmt wurde, indem die Konzentration des stromabwärts des Teststücks 222 strömenden Gases mit der Testzeit multipliziert wurde. Gemäß dem Bild wurde die Menge der stromabwärts strömenden Komponente berechnet, indem das Produkt aus der Komponentenkonzentration, die durch einen Abgasanalysator bestimmt wurde, und einer Gasströmungsrate mit der Testzeitmultipliziert wurde.
Die zuvor berechneten Werte wurden dann verwendet, um die Abgasreinigungseffizienz, wie in 7C gezeigt, zu bestimmen. Genauer gesagt wurde die Menge einer stromabwärts strömenden Komponente (7B) von der Menge eines innerhalb der Messzeit zugeführten Gases (7A) abgezogen. Weiterhin wurde der ermittelte Wert durch die Menge des innerhalb der Messzeit zugeführten Gases (7A) geteilt, um die Abgasreinigungseffizienz in Prozent zu berechnen.
(Ergebnisse des Experiments)
8 ist ein Diagramm, das einen ersten Teil der Ergebnisse des Experiments zeigt. Das Diagramm in 8 zeigt an, dass die Verwendung des Ausführungsmusters 224 eine höhere Reinigungseffizienz für NOx, HC und CO aufwies als die Verwendung des Vergleichsmusters 324.
Die Ergebnisse des Experiments, die oben beschrieben wurden, weisen darauf hin, dass die erste Ausführungsform eine NOx-Absorptionsreaktion induziert, während sie den Einfluss eines Katalysatorgiftes abwendet. Das bedeutet, dass der Katalysator seine Abgasreinigungsfunktion voll ausführt, um exzellente Emissionscharakteristiken zu erhalten. Des Weiteren, wie zuvor angedeutet, enthält das Ausführungsmuster 224 die gleiche Menge an Barium und Platin wie das Vergleichsmuster 324. Mit anderen Worten ermöglicht die erste Ausführungsform die Verwendung des NOx-Speicherelements und des Edelmetall mit hoher Effizienz.
[Abwandlungen der ersten Ausführungsform]
(Erste Abwandlung)
Die erste Ausführungsform beschichtet das Grundmaterial 82 mit der NOx-Speicherschicht 92, die BaCO₃ enthält. Allerdings ist das Material für die NOx-Speicherschicht nicht auf das eine zuvor beschriebene beschränkt. Zum Beispiel kann ein Alkalimetall, wie Na, K, Cs oder Rb, ein Erdalkalimetall, wie Ba, Ca oder Sr, oder ein Seltenerdmetall, wie Y, Ce, La oder Pr nach Bedarf eingesetzt werden, wie in der japanischen Patentschrift Nr. 3551346 beschrieben ist.
Daher ist die Nitratzusammensetzung s nicht auf Ba(NO₃)₂, das in Verbindung mit der ersten Ausführungsform erwähnt wurde, beschränkt, wenn das NOx-Speicherelement NOx als Nitrat absorbiert. Es sollte erwähnt sein, dass Ba eine große Absorptionsleistung hat (1 Mol Ba kann 3 Mol NO₃ absorbieren), weist eine höhere thermische Stabilität als andere Materialien auf und ist als NOx-Speicherelement zur Verwendung mit einer Abgasemissionssteuervorrichtung geeignet.
Das Material für die Katalysatorschicht 94 ist nicht auf Pt, Rh, Pb oder andere zuvor beschriebene Materialien beschränkt. Verschiedene Katalysatormaterialen wie Edelmetallstoffe, die einen Abgasreinigungskatalysator bilden, können auf die vorliegende Erfindung angewandt werden. Des Weiteren können Keramik, Aluminiumoxid (Al₂O₃) und andere geeignete Materialen als Trägerstoff für ein Edelmetall oder ein NOx-Speicherelement verwendet werden.
(Zweite Abwandlung)
Die erste Ausführungsform verwendet die Ozonzuführeinrichtung 30, um Ozon dem Abgas beizuzufügen. Allerdings kann eine solche Ozonaddition vorzugsweise in der Art wie nachfolgend beschrieben durchgeführt werden. Es ist bekannt, dass NOx im Abgas aufgrund einer Gasphasenreaktion oxidiert, wenn Ozon (O₃) dem Abgas hinzugefügt wird. Genauer gesagt, das NOx reagiert mit dem Ozon, um die folgenden Reaktionen anzustoßen: NO + O₃ → NO₂ + O2 [1] NO₂ + O₃ → NO₃ + O₂ [2] NO₂ + NO₃ → N₂O₅ [3](NO₂ + NO₃ → N₂O₅)
In der nachfolgenden Erklärung wird die Reaktionsformel [1] als die ”erste Formel”, die Reaktionsformel [2] als die ”zweite Formel” und Reaktionsformel [3] als ”dritte Formel” bezeichnet. In der dritten Formel zeigt der Pfeil nur eine rechtsgerichtete Reaktion an; allerdings kann die in Klammern gesetzte linksgerichtete Reaktion ebenso auftreten.
Im NOx-Speicherelement wird eine NOx-Absorption erreicht, wenn ein Stickoxid höherer Ordnung, das erzeugt wird, wenn NOx oxidiert wird, oder HNO₃, das erzeugt wird, wenn eine solches Stickoxid mit Wasser reagiert, als Ba(NO₃)₂ oder anderes Nitrat durch das NOx-Speicherelement absorbiert wird. Wenn beispielsweise NO₃ zu Ba(NO₃)₂ oder einem anderen Nitratreagiert, wird es durch das NOx- Absorptionselement absorbiert. Um eine NOx-Absorptionsreaktion mit hoher Effizienz anzustoßen, ist es vorteilhaft, dass eine erhöhte Menge an NOx im Abgas zu NO₃, N₂O₅ und anderen Stickoxiden höherer Ordnung als NO₂ reagiert.
In Anbetracht der obigen Umstände stößt die zweite Abwandlung die durch die zweite und dritte Formel angedeuteten Reaktionen an, indem Ozon in der Weise zugefügt wird, dass das Molverhältnis von Ozon zu NO im Gasgemisch größer als 1 ist. Genauer gesagt wird die Ozonaddition so durchgeführt, dass das Verhältnis zwischen Mol (O₃), das ein Moläquivalent der Ozonmenge im Gasgemisch ist, und Mol (NO), das ein Moläquivalent der Stickstoffmonoxidmenge in dem Gasgemisch ist, die folgende Beziehung erfüllt: Mol(O₃)/Mol(NO) > 1 [4]
In der nachfolgenden Erklärung wird die obige Formel [4] als die ”vierte Formel” bezeichnet.
Wenn das Molverhältnis von Ozon zu NO im Gasgemisch nicht größer als 1 ist (Mol (O₃)/Mol (NO) ≤ 1), wird NO₃ und N₂O₅ aufgrund der in der zweiten und der dritten Formel angedeuteten Reaktionen nicht erzeugt, obwohl NO₂ aufgrund der in der ersten Formel angegebenen Reaktion erzeugt wird. Daher ist die zweite Abwandlung so aufgebaut, dass die Substanzmenge des hinzuzufügenden Ozons größer ist als die Substanzmenge von NO im Abgas. Dadurch kann eine adäquate Menge von Ozon zugeführt werden, um durch Oxidation von NO NO₃ und N₂O₅ zu erzeugen (um die in der zweiten und der dritten Formel angegebenen Reaktionen anzustoßen). Als ein Ergebnis können die Mengen Stickstoffoxiden höherer Ordnung im Abgas sicher erhöht werden, um auf effektive Weise eine NOx-Absorption zu erreichen.
Der oben beschriebene Prozess wird dann implementiert, wenn die ECU 50 einen ”Prozess zum Einstellen einer Ozonzufuhrmenge, so dass das Molverhältnis von Ozon. zu Stickstoffmonoxid (NO) im Gasgemisch, das durch den NOx-Absorptionsreduktionskatalysator strömt, größer als 1 ist” durchführt (Ozonzufuhrmengen-Einstellungsprozess). Dieser Prozess kann beispielsweise vor Schritt S100 der in 3 gezeigten Routine durchgeführt werden. Die Ozonzufuhrmenge, um das obige Molverhältnis bereitzustellen, kann dadurch definiert werden, indem es beispielsweise der ECU 50 erlaubt ist, die Molmenge dem im Abgas enthaltenen NOx gemäß dem Betriebsstatus (Motordrehzahl Ne, Luft-Kraftstoff-Verhältnis A/F, Last, Luftansaugmenge, usw.) des Verbrennungsmotors 10 zu bestimmen und die Strömungsraten des zuzuführenden Ozons gemäß der abgeschätzten Molmenge von NOx zu berechnen.
(Dritte Abwandlung)
Alternativ kann die Ozonzufuhrmenge weiter erhöht werden, so dass das Molverhältnis von Ozon zu Stickstoffmonoxid im Gasgemisch nicht kleiner als 2 ist (Mol)(O₃)/Mol(NO) ≥ 2). Wenn das Molverhältnis von Ozon (O₃) zu Stickstoffmonoxid (NO) im Gasgemisch größer als 1 ist, bleibt das Ozon noch im Gasgemisch zurück, auch nachdem NO zu NO₂ oxidiert wurde, wie es in der ersten Formel angegeben wurde. Daher treten die in der zweiten und dritten Formel angegebenen Reaktionen auf, um NO₃ und N₂O₅ zu erzeugen. Wenn allerdings Spuren von Ozon nach der in der ersten Formel angegebenen Reaktion zurückbleiben, werden die zu erzeugenden Mengen von NO₃ und N₂O₅ während der in der zweiten und dritten Formel angegebenen Reaktionen vermindert.
In Anbetracht der obigen Umstände stellt die dritte Abwandlung Ozonzufuhrmenge so ein, dass das Molverhältnis zwischen Ozon und NO im Gasgemisch nicht kleiner als 2 ist (Mol(O₃)/Mol(NO) ≥ 2). Das stellt sicher, dass eine adäquate Menge von Ozon nach der in der ersten Formel angegebenen Reaktion und die zu den in der zweiten und dritten Formel angegebenen Reaktionen beiträgt, wodurch freilich die Menge an Stickstoffoxid höherer Ordnung gesteigert wird. Wie zuvor beschrieben, macht es die dritte Abwandlung möglich, eine adäquate Menge an Ozon für die Erzeugung von NO₃ und N₂O₅ durch Oxidation von NO zuzuführen und beschleunigt effektiv die NOx-Absorptionsreaktion.
Der obige beschriebene Prozess wird dann implementiert, wenn die ECU 50 einen ”Prozess zum Einstellen einer Ozonzufuhrmenge, so dass das Molverhältnis von Ozon (O₃) zu Stickstoffmonoxid (NO) im Gasgemisch, das in den NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator strömt, nicht kleiner als 2 ist”. Dieser Prozess kann z. B. vor Schritt S100 in der in 3 gezeigten Routine durchgeführt werden.
(Vierte Abwandlung)
Die erste Ausführungsform ist so aufgebaut, dass Ozon mit der außerhalb der Katalysatorvorrichtung 20 installierten Ozonzuführeinrichtung 30 und der innerhalb der Katalysatorvorrichtung 20 angeordneten Ozoneinspritzdüse 32 zugeführt wird. Dennoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung einer solchen Anordnung beschränkt. Ozon kann dem Abgas mit Hilfe verschiedener allgemein bekannter Ozonerzeugungsvorrichtungen bzw. -methoden hinzugefügt werden. Beispielsweise kann eine Anordnung zur Erzeugung von Ozon direkt durch Plasmaentladung innerhalb des Abgasweges 12 oder der Katalysatorvorrichtung 20 ausgebildet sein.
Wie zuvor angedeutet, kann das Grundmaterial zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung durch einen DPF oder verschiedene allgemein bekannte Materialen, die für einen DPF benutzt werden, ersetzt werden. Das bedeutet, dass die für das Grundmaterial der vorliegenden Erfindung verwendbaren Strukturen und Materialien die Strukturen und Materialien eines herkömmlich verwendeten DPF umfassen.
Dennoch kann ebenso behauptet werden, dass das Grundmaterial der vorliegenden Erfindung nicht auf einen DPF beschränkt ist und dass die Struktur und das Material des Grundmaterials 82 nicht auf solche eines DPF beschränkt sind. Genauer gesagt kann die vorliegende Erfindung ein Grundmaterial einsetzen, das so aufgebaut ist, dass es die Abgaseinströmzelle und Abgasausströmzelle umfasst, welche nebeneinander mit der dazwischen angeordneten Trennwand angeordnet sind, während die Trennwand aus einem Material besteht, das ein Durchströmen des Abgases erlaubt. Der NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator der vorliegenden Erfindung kann so aufgebaut sein, dass die NOx-Speicherschicht auf der Innenoberfläche der Abgaseinströmzelle und die Katalysatorschicht auf der Innenoberfläche der Abgasausströmzelle ausgebildet sind.
In der ersten Ausführungsform entspricht demnach der Trennwandabschnitt 86 einem Partikelfilter, der Partikel einfängt. Die ”Trennwand” der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf einen solchen Partikelfilter beschränkt. Mit anderen Worten ist der Einsatz eines Partikelfilters nicht immer erforderlich, solange die eingesetzte Trennwand gasdurchlässig ist und ein Durchströmen des Abgases erlaubt.
Das. NOx-Speicherelement kann nicht nur NOx absorbieren, sondern auch adsorbieren. Genauer gesagt kann NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator 80 NOx nicht nur absorbieren, sondern auch adsorbieren. Deshalb bedeutet der ”Speicher”-Betrieb, der durch die NOx-Speicherelementvorrichtung durchgeführt wird, nicht nur ”Okklusion” bzw. ”Absorption” von NOx, sondern auch ”Adsorption” von NOx.
Vorteilhafterweise ist der Betrag der NOx-Speichersubstanz, die in der Katalysatorschicht 94 enthalten ist, im Wesentlichen null. Dennoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung einer solchen Katalysatorschicht beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann alternativ so aufgebaut sein, dass die Katalysatorschicht 94 eine geringere Menge von NOx-Speichersubstanzen als die NOx-Speicherschicht 92 enthält.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abgasemissionssteuervorrichtung bereitzustellen, die bei einem Verbrennungsmotor eingesetzt wird, um sowohl ein NOx-Speicherelement als auch einen Katalysator zu verwenden und gleichzeitig eine Abnahme der Abgasreinigungsleistung zu vermeiden.
Ein NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator ist in einem Abgasweg eines Verbrennungsmotors angeordnet. Der NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator umfasst ein Grundmaterial. Das Grundmaterial umfasst eine Abgaseinströmzelle, die an ihrer stromabwärtigen Seite geschlossen ist; und eine Abgasausströmzelle, die an ihrer stromaufwärtigen Seite geschlossen ist und unter Zwischenschaltung einer Trennwand neben der ersten Zelle angeordnet ist. Die Abgaseinströmzelle ist so aufgebaut, dass an ihrer Innenoberfläche eine NOx-Speicherschicht ausgebildet ist, und die Abgasausströmzelle ist so aufgebaut, dass an ihrer Innenoberfläche entsprechend eine Katalysatorschicht ausgebildet ist.

10: Verbrennungsmotor
12: Abgasweg
20: Katalysatorvorrichtung
30: Ozonzuführeinrichtung
32: Ozoneinspritzdüse
34: Lufteinlass
50: ECU
80: NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator
82: Grundmaterial
86: Trennwandabschnitt
90: Abgaseinströmzelle
93: NOx-Speicherschicht
94: Katalysatorschicht
96: Abgasausströmzelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2002-089246 A [0002]
- JP 1993-192535 A [0004]
- JP 2005/538295 [0004]
- JP 1994-185343 A [0004]
- JP 1998-169434 A [0004]
- JP 3551346 B [0004]
- JP 3551346 [0042, 0088]

Claims

Abgasemissionssteuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor, welche aufweist: einen NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator, der in einem Abgasweg des Verbrennungsmotors angeordnet ist; und eine Ozonzuführeinrichtung, die Ozon zuführt, so dass sich das Ozon mit dem in den NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator strömenden Abgas vermischt; wobei der NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator zwei oder mehrere Zellen umfasst, die durch eine Trennwand abgeteilt sind, die ein Durchströmen des Abgases erlaubt, die zwei oder mehreren Zellen umfassen: eine erste Zelle, die so aufgebaut ist, dass eine stromabwärtige Seite der ersten Zelle abgedeckt ist und eine NOx-Speicherschicht ein NOx-Speicherelement enthält, das auf einer Innenoberfläche der ersten Zelle ausgebildet ist; und eine zweite Zelle, die so aufgebaut ist, dass die zweite Zelle unter Zwischenschaltung der Trennwand neben der ersten Zelle angeordnet ist, eine stromaufwärtige Seite der zweiten Zelle abgedeckt ist und eine ein Edelmetall umfassende Katalysatorschicht an einer Innenoberfläche der zweiten Zelle ausgebildet ist, und eine Menge des NOx-Speicherelements, das in der Katalysatorschicht enthalten ist, kleiner ist als die in der NOx-Speicherschicht.
Abgasemissionssteuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Trennwand, die ein Durchströmen des Abgases erlaubt, ein Partikelfilter zum Einfangen von im Abgas enthaltenen Partikeln ist.
Abgasemissionssteuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die auf der Innenoberfläche der zweiten Zelle ausgebildete Katalysatorschicht so aufgebaut ist, dass die Menge des in der Katalysatorschicht enthaltenen NOx-Speicherelements im Wesentlichen null ist.
Abgasemissionssteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welche ferner aufweist: eine Ozonzufuhrmengeneinstelleinrichtung, um die Ozonzufuhrmenge so einzustellen, dass das Molverhältnis von Ozon zu Stickstoffmonoxid (NO) in einem Gasgemisch, das in den NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator strömt, größer als 1 ist.
Abgasemissionssteuervorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Ozonzufuhrmengeneinstelleinrichtung die Ozonzufuhrmenge so einstellt, dass das Molverhältnis von Ozon (O₃) zu Stickstoffmonoxid (NO) im Gasgemisch, das in den NOx-Okklusions- und -Reduktionskatalysator strömt, nicht kleiner als 2 ist.