DE19926954C2 - Abgasemissions-Steuervorrichtung - Google Patents

Abgasemissions-Steuervorrichtung

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasemissions-Steuervorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Tokkai Hei 9-228828, im Jahre 1997 vom japanischen Patentamt veröffentlicht, offenbart die Verringerung von Kohlenwasserstoff (im folgenden: HC)-Emissionen unmittelbar nach dem Starten des Motors durch Anbringen eines HC absorbierenden, katalytischen Konverters oder Katalysators im Auspuffrohr, wobei der katalytische Konverter ein HC absorbierendes Material und einen Dreiwegekatalysator umfaßt. Das HC absorbierende Material absorbiert HC, wenn die Katalysatortemperatur nied­ riger als eine festgelegte Temperatur ist und gibt HC bei einer Temperatur ab, die hö­ her als die festgelegte Temperatur ist.
Auf diese Weise wird das vom Motor abgegebene HC zeitweise durch das HC absor­ bierende Material im HC absorbierenden, katalytischen Konverter absorbiert. Wenn die Temperatur der Abgase im HC absorbierenden, katalytischen Konverter eine fest­ gesetzte Temperatur erreicht, wird das Luft-Kraftstoffverhältnis auf ein mageres Luft- Kraftstoffverhältnis umgeschaltet, mit anderen Worten wird das Luft-Kraftstoff­ verhältnis erhöht. Dies resultiert in einer superoxygenierten Mischung der Abgase und das vom HC absorbierenden Material emittierte HC wird durch den Dreiwegekataly­ sator oxidiert.
Auf diese Weise ist es notwendig, ein Luft-Kraftstoffverhältnis von einem stöchiometri­ schen Luft-Kraftstoffverhältnis in Richtung eines mageren Luft-Kraftstoffverhältnisses zu steuern und ausreichend Sauerstoff zuzuführen, der mit dem emittierten HC im Abgas reagieren und die Verringerung der HC-Emissionen verbessern soll. Je mehr jedoch ein Luft-Kraftstoffverhältnis in Richtung eines mageren Luft-Kraftstoffverhält­ nisses geändert wird, um so größer wird die Menge an emittierten Stickstoffoxiden (NOx).
Eine Abgasemissions-Steuervorrichtung für einen Motor der eingangs genannten Art ist aus de DE 694 18 168 T2 bekannt.
Die darin gezeigte Abgasemissions-Steuervorrichtung für einen Motor, der mit einem Abgasrohr ausgestattet ist, umfaßt einen ersten katalytischen Konverter, der das Ele­ ment Rhodium enthalt und einen zweiten katalytischen Konverter, der Rhodium und ein Kohlenwasserstoff absorbierende Material enthält, wobei der erste katalytische Konverter und der zweite katalytische Konverter im Abgasrohr in Reihe angeordnet sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgasemissions-Steuervorrichtung für einen Motor der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß die Abgasreini­ gung unter allen Arbeitsbedingungen verbessert und insbesondere Kohlenwasserstoff entfernt wird, wenn gleichzeitig Anteile von emittierten NOx unterdrückt werden, wenn HC vom HC absorbierenden, katalytischen Konverter emittiert wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Abgasemissions-Steuervorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der erste katalyti­ sche Konverter und der zweite katalytische Konverter im Abgasrohr in Reihe ange­ ordnet sind und der Rhodium-Gehalt in Prozent im zweiten katalytischen Konverter höher ist als der Rhodium-Gehalt in Prozent in dem ersten katalytischen Konverter.
Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den nach­ stehenden Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigt:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer Abgasemissions-Steuervorrichtung,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezugnahme der Fig. 1 der Zeichnungen ist eine Abgasemissions-Steuer­ vorrichtung für einen Motor 1 mit einem Abgaskrümmer 2, einem Abgasrohr 3, einem katalytischen Dreiwegekonverter 4 und einem HC absorbierenden, katalytischen Kon­ verter 5 ausgestattet.
Der katalytische Dreiwegekonverter 4 ist nahe dem Abgaskrümmer 2 angeordnet. Der HC absorbierende katalytische Konverter 5 weist ein HC absorbierendes Material und einen Dreiwegekatalysator auf und ist stromab des katalytischen Dreiwegekonverters 4 angeordnet.
Die Edelmetallkatalysatoren des katalytischen Dreiwegekonverters 4 und des katalyti­ schen, HC absorbierenden Konverters 5 umfassen Kombinationen von Platin (Pt) und Rhodium (Rh) oder Palladium (Pd) und Rh oder eine Kombination von Pt, Pd und Rh.
Die Gesamtmenge an Edelmetallkatalysatoren im katalytischen Dreiwegekonverter 4 ist größer als die Gesamtmenge im HC absorbierenden, katalytischen Konverter 5. Die Gesamtmenge an Edelmetallkatalysatoren im katalytischen Dreiwegekonverter 4 kann jedoch gleich der Gesamtmenge im HC absorbierenden, katalytischen Konverter 5 sein. Andererseits kann die Gesamtmenge der Edelmetallkatalysatoren des HC ab­ sorbierenden katalytischen Konverters 5 größer als die des katalytischen Dreiwege­ konverters 4 sein. In all den obigen Fällen ist jedoch der Rh-Gehalt in Gew.-% im HC absorbierenden, katalytischen Konverter (oder Katalysator) 5 größer als der Rh- Gehalt in Gew.-% im katalytischen Dreiwegekonverter 4.
Der HC absorbierende, katalytische Konverter 5 umfaßt eine Beschichtung aus HC absorbierendem Material auf der stromaufgelegenen Hälfte eines Katalysatorträgers in Bienenwabenform und eine Beschichtung aus einem Dreiwegekatalysator in der stromabgelegenen Hälfte des Trägers. Alternativ weist der HC absorbierende katalyti­ sche Konverter 5 eine Beschichtung aus HC absorbierendem Material auf der Ober­ fläche des Katalysatorträgers in Bienenwabenform und eine Beschichtung aus einem Dreiwegekatalysator auf der Beschichtung aus HC absorbierendem Material auf. Al­ ternativ kann eine Beschichtung mit einer Mischung aus einem HC absorbierendem Material und ein Dreiwegekatalysator auf einem Katalysatorträger in Bienenwaben­ form vorgesehen sein. Als ein HC absorbierendes Material kann Zeolith verwendet werden.
Wenn eine stöchiometrische Luft-Treibstoffmischung dem Motor 1 zugeführt wird, weist das Abgas aufgrund des emittierten HC vom HC absorbierenden katalytischen Konverter 5 eine fette Atmosphäre auf, wenn die Temperatur des Abgases eine Temperatur erreicht, bei der das zeitweise vom HC absorbierenden katalytischen Konver­ ter 5 absorbierte HC freigegeben wird. Dabei bezeichnet eine fette Atmosphäre eine Atmosphäre, bei der die Konzentration an HC relativ zu einer Sauerstoffmenge im Abgas hoch ist. Andererseits bezeichnet eine magere Atmosphäre eine Atmosphäre, bei der sich die Sauerstoffmenge im Abgas im Überschuß befindet.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist jedoch der Rh-Gehalt in Gew.-% im HG absorbierenden, katalytischen Konverter 5 größer als der Rh-Gehalt in Gew.-% im katalytischen Dreiwegekonverter 4. Rh zeigt selbst dann ein hohes HC-Umwand­ lungsverhältnis mit anderen Substraten aus Edelmetallen, wenn sich das Abgas in einer fetten Atmosphäre befindet. Als Ergebnis wird HC selbst in einer fetten Atmo­ sphäre, die vom HC resultiert, das vom HC absorbierenden katalytischen Konverter 5 emittiert wird, durch den HC absorbierenden, katalytischen Konverter 5 wirksam oxy­ geniert und aus den Abgasen entfernt.
Da es auf diese Weise nicht notwendig ist, das Luft-Kraftstoffverhältnis groß in Rich­ tung eines mageren Luft-Treibstoffes zu steuern, wenn HC emittiert wird, um die Sau­ erstoffkonzentration des in den HC absorbierenden Katalysator 5 strömenden Abga­ ses zu erhöhen, können auch die NOx Emissionen verringert werden. Da des weiteren die Entfernung des HC durch den HC absorbierenden, katalytischen Konverter 5 ver­ bessert wird, ist es möglich, auf die Rh-Komponente des Dreiwegekatalysators 4 zu verzichten.
Da der katalytische Dreiwegekonverter 4 nahe dem Hochtemperatur-Abgaskrümmer 2 angeordnet ist, wird die Zeit verkürzt, die notwendig ist, damit der katalytische Drei­ wegekonverter 4 eine Aktivierungstemperatur erreicht, wodurch die Emissionssteuer­ eigenschaft des Dreiwegekatalysators 4 verbessert wird.
Das vom HC absorbierende Material freigegebene HC kann bei Verwendung des HC absorbierenden Katalysator (oder katalytischen Konverters) mit einer Beschichtung aus einem HC absorbierenden Material auf der Oberfläche des Katalysatorträgers in Bienenwabenform und einer Beschichtung aus einem Dreiwegekatalysator auf der Beschichtung aus HC absorbierenden Materials, oder bei Verwendung des HC absor­ bierenden, katalytischen Konverters mit einer Beschichtung aus einer Mischung aus einem HC absorbierenden Material und einem Dreiwegekatalysator auf dem Kataly­ satorträger in Bienenwabenform schnell oxygeniert und durch den Dreiwegekatalysa­ tor entfernt werden, wodurch die HC Emissionssteuereigenschaften verbessert wer­ den.
Wenn die Gesamtmenge an Edelmetallkatalysatoren im katalytischen Dreiwegekon­ verter 4 der Gesamtmenge der Edelmetallkatalysatoren im HC absorbierenden kata­ lytischen Konverter 5 entspricht, kann der HC absorbierende Konverter 5 dieselben Emissionssteuereigenschaften erreichen, wie der katalytische Dreiwegekonverter 4.
Wenn andererseits die Gesamtmenge an Edelmetallkatalysatoren im katalytischen Dreiwegekonverter 4 gegenüber der Gesamtmenge an Edelmetallkatalysatoren im HC absorbierenden, katalytischen Konverter 5 erhöht wird, wird die Redox-Reaktion, die durch den katalytischen Dreiwegekonverter 4 durchgeführt wird, verstärkt, und die Reaktionswärme wird folglich ebenfalls zunehmen. Im Ergebnis ist es möglich, die Zeit zu verkürzen, die der katalytische Dreiwegekonverter 4 benötigt, um eine Aktivie­ rungstemperatur zu erreichen. Wenn umgekehrt die Gesamtmenge an Edelmetallka­ talysatoren im HC absorbierenden katalytischen Konverter 5 erhöht wird gegenüber der Gesamtmenge an Edelmetallkatalysatoren im katalytischen Dreiwegekonverter 4, dann wird die durch den HC absorbierenden, katalytischen Konverter 5 ausgeführte Redox-Reaktion und die Reaktionswärme erhöht. Obwohl die in den HC absorbieren­ den, katalytischen Konverter 5 einströmenden Gase bei einer stromab gelegenen Po­ sition eine niedrigere Temperatur als die in den katalytischen Dreiwegekonverter 4 strömenden Gase aufweisen, ist es möglich, die Zeit zu verkürzen, die der HC absor­ bierende katalytische Konverter 5 benötigt, um eine Aktivierungstemperatur zu errei­ chen, indem die Reaktionswärme verwendet wird.
Fig. 2 zeigt ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel.
Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel dadurch, daß ein zweiter katalytischer Dreiwegekonverter 41 stromab des HC absor­ bierenden katalytischen Konverters 5 und ein zweiter HC absorbierender katalytischer Konverter 51 weiter stromab vorgesehen sind.
Wenn der Rh-Gehalt in Gew.-% oder Menge beim katalytischen Dreiwegekonverter 4, beim zweiten katalytischen Dreiwegekonverter 41, beim HC absorbierenden Kataly­ sator 5 und beim zweiten HC absorbierenden Katalysator 51 jeweils als Crh4, Crh41, Crh5 und Crh51 bezeichnet werden, dann gilt
Crh51 < Crh5 < Crh41 ≧ Crh4.
Wenn der Pt-Gehalt in Gew.-% oder Menge beim katalytischen Konverter 4, 41, 5 und 51 jeweils als Cpt4, Cpt41, Cpt5 und Cpt51 bezeichnet wird, dann gilt
Cpt4 < Cpt5 ≧ Cpt51 ≧ Cpt41
Das zweite Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erzielt dieselbe Wirkung wie das erste Ausführungsbeispiel und erreicht darüber hinaus die unten beschriebe­ nen Vorteile.
Da der Dreiwegekatalysator des HC absorbierenden, katalytischen Konverters 5 eine sauerstoffspeichernde Funktion aufweist, die ähnlich dem des katalytischen Dreiwe­ gekonverters 4 ist, wenn die HC absorbierenden katalytischen Konverter 5, 51 in Rei­ he vorgesehen sind, wird Sauerstoff im stromaufgelegenen HC absorbierenden, ka­ talytischen Konverter 5 gespeichert und die Menge an Sauerstoff, die dem stromab­ gelegenen HC absorbierenden, katalytischen Konverter 51 zugeführt wird, wird ver­ ringert. Beim zweiten Ausführungsbeispiel ist jedoch der Rh-Gehalt in Gew.-% oder Menge beim stromab gelegenen HC absorbierenden katalytischen Konverter 51 grö­ ßer als der Rh-Gehalt in Gew.-% oder Menge des stromauf gelegenen HC absorbie­ renden, katalytischen Konverters 5. Im Ergebnis wird ein hohes HC Umwandlungs­ verhältnis auch beim stromab gelegenen HC absorbierenden, katalytischen Konverter 51 erreicht.
Da des weiteren die HC absorbierenden Katalysatoren 5, 51 in Reihe angeordnet sind, ändert sich die Zeit, die die jeweiligen katalytischen Konverter 5, 51 benötigten, um eine Aktivierungstemperatur zu erreichen. Im Ergebnis ist es möglich, einen Un­ terschied in den Startzeiten der HC Emission zwischen dem stromaufgelegenen HC absorbierenden, katalytischen Konverter 5 und dem stromab gelegenen, HC absorbierenden katalytischen Konverter 51 beizubehalten. Beispielsweise ist es möglich, die Initiierungszeiten der HC Emission der HC absorbierenden katalytischen Konverter 5, 51 so einzustellen, daß HC durch den HC absorbierenden katalytischen Konverter 5 absorbiert wird, bis der katalytische Dreiwegekonverter 4 eine Aktivierungstemperatur erreicht, und so daß der zweite HC absorbierende katalytische Konverter 51 HC ab­ sorbiert, bis der zweite katalytische Dreiwegekonverter 41 eine Aktivierungstempera­ tur erreicht.
Der Pt-Gehalt in Gew.-% oder Menge, der ein hohes Umwandlungsverhältnis selbst in Atmosphären ermöglicht, in denen das Abgas ein mageres Luft-Kraftstoffverhältnis aufweist, ist beim stromauf gelegenen Dreiwegekatalysator 4 größer als bei den stromab gelegenen, HC absorbierenden, Katalysatoren 5, 51. Daher kann HC selbst in Atmosphären, in denen das Abgas ein fettes oder ein mageres Luft-Treibstoff­ verhältnis aufweist, oxidiert und entfernt werden.

Claims (6)

1. Abgasemissions-Steuervorrichtung für einen Motor (1), der mit einem Abgasrohr (3) ausgestattet ist, mit:
einem ersten katalytischen Konverter (4), der Rhodium (Rh) enthält, und
einem zweiten katalytischen Konverter (5), der Rhodium (Rh) und ein Kohlenwasserstoff (HC) absorbierendes Material enthält,
dadurch gekennzeichnet, daß
der erste katalytische Konverter (4) und der zweite katalytische Konverter (5) im Abgas­ rohr (3) in Reihe angeordnet sind und der Rhodium-Gehalt in Prozent im zweiten kataly­ tischen Konverter (5) höher ist als der Rhodium-Gehalt in Prozent in dem ersten kataly­ tischen Konverter (4).
2. Abgasemissions-Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite katalytische Konverter (5) stromab des ersten katalytischen Konverters (4) angeordnet ist.
3. Abgasemissions-Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite katalytische Konverter (4, 5) Platin (Pt) enthält, und wobei ein Platin-Gehalt in Gew.-% des ersten katalytischen Konverters (4) höher ist als ein Platin- Gehalt in Gew.-% des zweiten katalytischen Konverters (5).
4. Abgasemissions-Steuervorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden An­ sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter katalytischer Konverter (51), der Rhodium (Rh) und ein Kohlenwasserstoff absorbierendes Material enthält, stromab des zweiten katalytischen Konverters (5) vorgesehen ist, wobei ein Rhodium-Gehalt in Gew.-% des dritten katalytischen Konverters (51) größer ist als ein Rhodium-Gehalt in Gew.-% des zweiten katalytischen Konverters (5).
5. Abgasemissions-Steuervorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite katalytische Konverter (5) eine Beschichtung aus einem Kohlenwasserstoff absorbierenden Material auf der Ober­ fläche eines Katalysatorträgers in Bienenwabenform und eine weitere Beschichtung aus einem Dreiwegekatalysatormaterial auf der Beschichtung aus dem Kohlenwasserstoff absorbierendem Material aufweist.
6. Abgasemissions-Steuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite katalytische Konverter (5) eine Beschichtung aufweist, die eine Mischung aus einem Kohlenwasserstoff absorbierendem Material und einem Dreiwegekatalysatormaterial auf der Oberfläche eines Katalysatorträgers in Bie­ nenwabenform umfaßt.
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