DE19963681B4 - Vorrichtung zum Behandeln des Abgases eines Verbrennungsmotors - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zum Behandeln des Abgases eines Verbrennungsmotors, die umfaßt einen Injektor, ein Ventil zum Abschalten des Kühlwassers, das in einen Zylinderkopf fließt, einen Auspuffkrümmer zur Erhöhung der Fließfähigkeit des Abgases, einen dicht angekoppelten Katalysator (CCC) zur Erhöhung der Aktivierung eines Katalysators beim Hochlastbetrieb bei einer niedrigen Temperatur, einen HC-Absorber-Katalysator, der einen HC-Absorber und eine TWC-Katalysator-Komponente umfaßt, zur Entfernung der HC-Komponente in dem Abgas, und einen elektrisch beheizten Katalysator und einen Light off-Katalysator zur Entfernung der HC-Komponente bei hoher Temperatur.

Description

  • Anwendungsgebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Behandeln des Abgases bzw. Auspuffgases eines Verbrennungsmotors, insbesondere auf eine Vorrichtung zum Behandeln des Abgases eines Verbrennungsmotors, mit der das Abgas wirksam gereinigt werden kann.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Einer der nachteiligen Effekte, welche die Entwicklung der Technologie und der Industrie begleiten, ist die Umweltverschmutzung. Die Art und die Gründe für die Umweltverschmutzung sind vielfältig und kompliziert.
  • Die Luftverschmutzung, die Wasserverschmutzung und die Lärmbelästigung werden zu ernsten sozialen Problemen. Die Luftverschmutzung ist hauptsächlich auf die Automobil-Abgase zurückzuführen und die Abgase führen zu Kopfschmerzen, zu Husten und zu gesundheitlichen Störungen.
  • Das Abgas wird in drei Gruppen unterteilt: das Abgas aus dem Verbrennungsmotor, das Durchblasegas aus dem Kurbelgehäuse des Motors und das Verdampfungsgas, das in einem Treibstofftank und in einem Vergaser entsteht.
  • Das Abgas aus dem Verbrennungsmotor ist ein Gas, das von dem Motor nach dem Zünden des Treibstoff/Luft-Gemisches ausgestoßen wird. Die Komponente des Abgases aus dem Motor umfaßt nicht nur Wasserdampf, Stickstoff und Kohlendioxidgas, die für den Menschen unschädlich sind, sondern auch CO, Kohlenwasserstoffe, Salpetersäure, Kohlenstoff-Körnchen und Bleioxid und dgl., die für den Menschen schädlich sind.
  • Es werden bereits seit langem viele Untersuchungen durchgeführt, um das in dem Abgas aus dem Verbrennungsmotor enthaltene schädliche Material zu entfernen und ein gereinigtes Gas auszustoßen, das für den Menschen unschädlich ist.
  • Die 1 zeigt eine Vorrichtung zum Behandeln des Abgases eines Verbrennungsmotors, bei dem es sich um einen solchen mit einer superultraniedrigen Umweltverschmutzung (SULEV) handelt, wie er von der Firma HONDA Company, Japan, hergestellt wird. Die Vorrichtung umfaßt einen Auspuffkrümmer 30 aus rostfreiem Stahl, der eine niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzt. Mit dem Auspuffkrümmer 30 ist ein Katalysator 32 verbunden und mit dem Katalysator 32 sind nacheinander verbunden ein Hybrid-Katalysator 61 und ein elektrisch beheizter Katalysator (EHC) 60.
  • Die 2 zeigt eine Vorrichtung zum Behandeln des Abgases eines Verbrennungsmotors, bei dem es sich um einen solchen mit superultraniedriger Umweltverschmutzung (SULEV) handelt, wie er von der Firma NISSAN Company, Japan, hergestellt wird. Die Vorrichtung umfaßt einen EHC 60 und einen Unterflur-Drei-Wege-Katalysator (TWC) 62 und das Abgas wird durch den EHC 60 und danach durch den Unterflur-TWC 62 ausgetragen und gereinigt. Ein HC-Absorber 50 steht mit dem hinteren Ende des TWC 62 mittels der Bypaß-Leitung 51 in Verbindung.
  • In der Abgas-Nachbehandlungsvorrichtung der Firma HONDA Company wird ein Katalysator mit einer hohen Dichte von 1200 Zellen pro 6,45 cm2 (square inch) verwendet, sein Wirkungsgrad ist jedoch gering. Deshalb ist die Abgas-Nachbehandlungsvorrichtung der Firma HONDA in der Praxis wertlos.
  • in der Abgas-Nachbehandlungsvorrichtung der Firma NISSAN Company sind zwei Ventile erforderlich zur Kontrolle des großen EHC 60 und des Unterflur-TWC 62 und gelegentlich arbeiten die Ventile fehlerhaft. Deshalb wird das Abgas nicht ausreichend gereinigt.
    •
  • Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Behandeln des Abgases bzw. Auspuffgases eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, mit der das Abgas wirksam gereinigt werden kann und die einen einfachen Aufbau hat.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung, mit der das obengenannte Ziel erreicht werden kann, umfaßt einen Injektor (eine Einspritzdüse) zum Zerstäuben des Treibstoffs, ein Ventil zum Absperren des Kühlwassers, das in einen Zylinderkopf strömt, einen Auspuffkrümmer, der die Fließfähigkeit des Abgases erhöht, einen dicht angekoppelten Katalysator (CCC) zur Erhöhung der Aktivierung eines Katalysators beim Hochlastbetrieb bei einer niedrigen Temperatur, einen HC-Absorber-Katalysator, der einen HC-Absorber und eine TWC-Katalysator-Komponente zur Entfernung der HC-Komponente aus dem Abgas umfaßt und einen elektrisch beheizten Katalysator und einen Light off-Katalysator zur Entfernung der HC-Komponente bei einer hohen Temperatur.
  • Das Ende des Auspuffkrümmers hat eine halbkreisförmig Gestalt, um die Fließfähigkeit des Abgases zu erhöhen, damit das Abgas (Auspuffgas) nicht unsymmetrisch in eine Seite des Katalysators strömt, wenn das Abgas durch den CC-Katalysator hindurchströmt und schließlich gereinigt wird.
  • Der CC-Katalysator besteht aus 400 Zellen pro 6,45 cm2 (square inch) und das hintere Ende des EHC weist ein Ventil zur Kontrolle des Stau- bzw. Abgasdruckes auf, um den Ab sorptionswirkungsgrad des Katalysators zu erhöhen, wenn der Motor zu laufen beginnt.
    •
  • Das obengenannte Ziel und weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung anhand einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hervor, die unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben wird. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß Stand der Technik zum Behandeln des Abgases eines Verbrennungsmotors;
  • 2 eine andere schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß Stand der Technik zum Behandeln des Abgases eines Verbrennungsmotors;
  • 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Behandeln des Abgases eines Verbrennungsmotors;
  • 4 ein Diagramm, das die Abgas-Charakteristik des TWC in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt;
  • 5 ein Diagramm, welches das Arbeitsprinzip des erfindungsgemäß verwendeten Hybrid-Katalysator-Systems zeigt, bei dem es sich um ein Katalysatorsystem handelt, bei dem ein HC-Absorber mit einem TWC kombiniert ist; und
  • 6 Diagramme, welche das Output-Signal des Sauerstoffsensors beim Aufwärmen zeigen.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt einen Injektor (eine Einspritzdüse) 10 zum Zerstäuben des Treibstoffs, ein Ventil 20 zum Absperren des Kühlwassers, das in einen Zylinderkopf 100 und einen Zylinderblock 110 fließt, einen Auspuffkrümmer 30 zur Erhöhung der Fließfähigkeit des Abgases, einen dicht angekoppelten Katalysator (CCC) zur Erhöhung der Aktivierung des Katalysa tors beim Hochlastbetrieb bei einer niedrigen Temperatur, einen HC-Absorber-Katalysator 50, der einen HC-Absorber und eine Drei-Wege-(TWC)-Katalysator-Komponente umfaßt zur Entfernung der HC-Komponenten in dem Abgas, und einen elektrisch beheizten Katalysator 60 und einen Light off-Katalysator 70 zur Entfernung der HC-homponente bei einer hohen Temperatur.
  • Der Injektor 10 weist gute Zerstäubungs-Eigenschaften auf, um den Grad der Zerstäubung des Treibstoffs und den Verbrennungswirkungsgrad des Treibstoffs zu erhöhen.
  • Das eine Ende des Auspuffkrümmers 30, das mit dem Zylinderkopf 100 in Verbindung steht, hat eine halbkreisförmige Gestalt, um die Fließfähigkeit des Abgase zu verbessern, so daß das Abgas des Treibstoffs nicht unsymmetrisch zu einer Seite des Katalysators gelangt, wenn das Abgas durch den Katalysator strömt und schließlich gereinigt wird.
  • Zwischen einem Thermostatgehäuse und einer Wasserpumpe ist ein Ventil 20 angeordnet und empfängt das Output-Signal aus dem Wärmesensor, der die Temperatur des Kühlwassers ermittelt, um die Kühlwasser-Zufuhr zu dem Wassermantel des Zylinderkopfes 100 und dem Zylinderblock 110 abzusperren, wenn der Motor im kalten Zustand gestartet wird und der Motor noch nicht ausreichend erwärmt ist.
  • Als Folge der Absperrung des Kühlwassers nimmt die Temperatur des Zylinderkopfes 100 und der Motor-Verbrennungskammer stark zu.
  • Als Folge davon wird das nicht verbrannte Treibstoff-Gemisch nicht kondensiert und nicht geschichtet in dem Abkühlungsbereich der Verbrennungskammer des Motors.
  • An dem anderen Ende des Auspuffkrümmers 30 und an dem hinteren Ende des CC-Katalysators 40 ist ein Sensor 31 vorgesehen, der die in dem Abgas enthaltene Sauerstoffmenge bestimmt, Als Sensor 31 kann ein Fast Light off-Sensor verwendet werden.
  • Das aus dem Auspuffkrümmer 30 herauskommende Abgas passiert den CC-Katalysator 40, wodurch der in dem Abgas enthaltene HC entfernt wird. Der CC-Katalysator 40 kann ein Typ einer Pd-Reihe sein.
  • Der CC-Katalysator 40 der Pd-Reihe wird sehr leicht aktiviert, auch dann, wenn der Motor unter hoher Belastung steht und die Betriebstemperatur des Motors niedrig ist.
  • Mit dem HC-Absorber-Katalysator 50 wird der in dem aus dem CC-Katalysator 40 herauskommenden Abgas verbliebene HC entfernt.
  • Vorzugsweise besteht der HC-Absorber-Katalysator 50 aus einem HC-Absorber, der den HC wirksam entfernt, und einem TWC-Katalysator, der den Wirkungsgrad der Reinigung für HC und NOx erhöht.
  • Wenn die Tempetatur des Abgases zunimmt, wird der HC von dem HC-Absorber-Katalysator 50 abgetrennt und aus dem HC Absorber-Katalysator 50 ausgetragen. Um den HC und das NOx zu entfernen, sind der EHC 60 und der Fast Light off-Katalysator 70 vorgesehen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der HC= Absorber-Katalysator 50 in der Position angebracht, deren Temperatur verhältnismäßig niedrig ist, so daß der HC von dem HC Absorber-Katalysator 50 leicht abgetrennt werden kann, weil der HC von dem Katalysator 50 leicht abgetrennt wird, wenn die Temperatur hoch ist.
  • In dem Auspuffrohr ist an dem hinteren Ende des EHC ein Ventil 80 zur Kontrolle des Auspuffgas-Druckes vorgesehen, um den Wirkungsgrad des Katalysators zu erhöhen, wenn der Motor zu laufen beginnt oder in der kältesten Saison betrieben wird.
  • Das Ventil 80 erhöht den Reinigungswirkungsgrad des Katalysators und setzt den NOx Gehalt herab durch Kontrolle des Staudruckes und der Temperatur des Abgases in der Auspuffleitung.
  • Das Ergebnis des Tests, bei dem eine Nachbehandlung des Abgases erfindungsgemäß durchgeführt wird, und die Art der Katalysatoren sind in den folgenden Tabellen 1 und 2 angegeben.
  • Tabelle 1
    Figure 00070001
  • Tabelle 2
    Figure 00080001
    Re) ULEV-System: EV6-Treibstoff-Injektor, EV6+CCC+LSF, 4,7 + Verschiebung/Muster, Änderung TCU + erhitzter Katalysator
  • Der obige Test wird mit dem RV LEV als Basis durchgeführt. Unter der Bedingung, daß der Wert des NMHC 0,0041 g/mill. beträgt, entspricht dieses Ventil 41 % der 0,010 NMOG (organische Nicht-Methan-Gase), bei dem es sich um den Grenzwert in dem NMOG von SULEV handelt. Die Abgasmenge genügt dem eingeschränkten Grenzwert. Die Austrags-Charakteristik des TWC ist in der 4 dargestellt.
  • In der 4 zeigt das Diagramm A das Ergebnis des Tests, bei dem nur der LEV verwendet wird, das Diagramm B zeigt das Ergebnis des Tests, bei dem der Auspuff-Krümmer und der auf dem LEV angeordnete HC-Absorber verwendet werden, das Diagramm C zeigt das Ergebnis des Tests, bei dem ein EHC dem zur Verbesserung der Fließfähigkeit des Abgases verbesserten Auspuff-Krümmer, dem ULEV-System und dem HC-Absorber zugesetzt worden ist.
  • Andererseits sind die Zeit zum Abführen des Auspuffgases, wenn der erfindungsgemäße Auspuff und LEV in P1 (FTP-75) verwendet werden und die Temperatur auf der Oberfläche des CC-Katalysators in der Tabelle 3 bzw. in der Tabelle 4 angegeben.
  • Tabelle 3
    Figure 00090001
  • Tabelle 4
    Figure 00090002
  • In der Tabelle 4 gibt die Zeit die Stunden an, innerhalb der die Temperatur des Abgases und des CCC-Bettes die Temperatur erreicht, bei der der Katalysator aktiviert wird.
  • Bei der Temperatur des Abgases und der Temperatur im zentralen Abschnitt des CCC-Katalysators ist die Temperatur des erfindungsgemäßen SUS höher als diejenige des LEV.
  • Bis zum Erreichen der Aktivierungstemperatur des Katalysators (L.O.T.) werden 5 Sekunden in dem FCD-H und 6 Sekunden in dem SUS eingespart. Bis zu der L.O.T. auf beiden Seiten des Katalysators werden 2 Sekunden in dem FCD-H und 7 Sekunden in dem SUS eingespart. Vorstehend gibt die L.O.T. die Temperatur des Zentralabschnitts des Trägers an, wenn der Reinigungs wirkungsgrad des Katalysators 50 % des Maximums erreicht hat. Daher steht L.O.T. allgemein für die Aktivierungs-Temperatur des Katalysators.
  • Die Gründe für die Zeiteinsparung sind die, daß die Temperatur des Abgases und die Temperatur des CCC-Katalysators die Aktivierungstemperatur des Katalysators wie folgt erreichen:
    erstens wird die Fließfähigkeit des Abgases in dem Verbindungsabschnitt zwischen der Auspuff-Rohrleitung und der Vorderseite des Trägers verbessert; zweitens wird die Länge des Auspuff-Krümmers um etwa 5 bis 15 % verkürzt; drittens wird die thermische Trägheit des Auspuffkrümmers vermindert, weil das Gewicht des Auspuffkrümmers durch Änderung des Materials zur Herstellung des Auspuffkrümmers herabgesetzt worden ist.
  • Die Tabelle 5 zeigt, daß die Menge des Abgases in dem Verbrennungsmotor sich ändert beim Variieren des Volumens des HC-Absorbers in P1 (FTP-75).
  • Tabelle 5
    Figure 00100001
  • Wie in der Tabelle 5 angegeben, nimmt mit steigendem Volumen des HC-Absorbers die Menge des THC und des CO ab. Dies ist zurückzuführen auf den steigenden Einfang-Wirkungsgrad des HC-Absorbers. Wenn das Volumen des TWC abnimmt, steigt die NOx Menge.
  • Der erfindungsgemäße HC-Absorber besteht aus einer Zeolith-Konstruktion. Der HC-Absorber absorbiert die HC-Komponente bei einer Temperatur unterhalb 200°C, d.h. im Kühlungszustand, und gibt die HC-Komponente langsam ab, wenn die Temperatur über die obengenannte Temperatur hinaus ansteigt.
  • Um die HC-Komponente wirksam zu entfernen, ist es bevorzugt, daß der HC-Absorber in Kombination mit einer ternären Katalysator-Komponente verwendet wird.
  • Die 5 stellt ein Diagramm dar, welches das Arbeitsprinzip des erfindungsgemäß verwendeten Hybrid-Katalysator-Systems zeigt, bei dem es sich um ein Katalysator-System handelt, bei dem der HC-Absorber mit dem TWC kombiniert ist.
  • Wie in 5 dargestellt, wird die HC-Komponente durch den HC-Absorber absorbiert, wenn der Motor zu laufen beginnt oder unterhalb der Aktivierungs-Grenztemperatur des Katalysators betrieben wird. Dann, wenn die Temperatur des Katalysators die Grenztemperatur zur Aktivierung des Katalysators erreicht, wird die HC-Komponente abgetrennt und ausgetragen. Die ausgetragene HC-Komponente wird durch den erfindungsgemäßen EHC entfernt.
  • Die Menge der in dem Abgas enthaltenen Komponenten wird je nach Art des erfindungsgemäß verwendeten Sauerstoffsensors auf unterschiedliche Weise getestet, wie in der Tabelle 6 angegeben.
  • Tabelle 6
    Figure 00120001
  • Die 6 stellt Diagramme dar, die das Output-Signal des Sauerstoffsensors beim Aufwärmen zeigen. Aus der Form der Diagramme kann folgendes abgelesen werden: wenn der LSF 4,7, dessen Leerlaufzeit 7 Sekunden beträgt, verwendet wird, sind die Werte um 1 % THC, 18 % CO und 9 % NOx vermindert im Vergleich zu dem Fall, bei dem der 1 SH 25 verwendet wird, dessen Leerlaufzeit 27 Sekunden beträgt.

Claims (11)

  1. Vorrichtung zum Behandeln des Abgases eines Verbrennungsmotors, umfassend: – einen Injektor (10); – ein Ventil (20) zum Absperren des Kühlwassers, das in einen Zylinderkopf (100) fließt; einen Auspuffkrümmer (30) zur Erhöhung der Fließfähigkeit des Abgases, einen dicht an den Verbrennungsmotor angekoppelten Katalysator (40) (CC-Katalysator) zur Erhöhung der Aktivierung eines Katalysators unter Hochlast-Betrieb im Falle einer niedrigen Temperatur; – einen HC-Absorber-Katalysator (50), der einen HC-Absorber und eine Drei-Wege-(TWC)-Katalysator-Komponente zur Entfernung der HC-Komponente aus dem Abgas umfasst; und – einen elektrisch beheizten Katalysator (60) (EHC) und einen Light off-Katalysator (70) zur Entfernung der HC-Komponente bei hoher Temperatur.
  2. Vorrichtung zum Behandeln des Abgases eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Ende des Auspuffkrümmers (30) eine halbkreisförmige Gestalt hat, um die Fließfähigkeit des Abgases zu erhöhen, so dass das Abgas nicht unsymmetrisch zu einer Seite des Katalysators strömt, wenn der Abgasstrom durch den CC-Katalysator (40) fließt und schließlich gereinigt wird.
  3. Vorrichtung zum Behandeln des Abgases eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der CC-Katalysator (40) aus 62 Zellen pro cm2 besteht (400 cpsi).
  4. Vorrichtung zum Behandeln des Abgases eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das hintere Ende des EHC (60) ein Ventil (80) zur Kontrolle des Staudruckes aufweist, um den Absorptions-Wirkungsgrad des Katalysators zu erhöhen, wenn der Motor zu laufen beginnt.
  5. Verfahren zur Behandlung des Abgases bzw. Auspuffgases eines Verbrennungsmotors, umfassend die Schritte: – Kontrolle der Temperatur des Zylinderkopfs (100) durch Kontrolle des Wasserflusses zu dem Zylinderkopf; – Behandlung des Abgases in einem CC-Katalysator (40); Abgabe der Abgase von dem CC-Katalysator (40) in einen HC-Absorber-Katalysator (50); – Behandlung der Abgase, die in den HC-Absorber-Katalysator abgegeben wurden, in einem HC-Absorber und einem Drei-Wege-(TWC)-Katalysator; Beheizen eines Katalysators (60); und – Abgabe der behandelten Abgase von dem HC-Absorber-Katalysator (50) an den erwärmten Katalysator (60).
  6. Verfahren nach Anspruch 5, worin die Abgase in dem CC-Katalysator (40) behandelt werden, wenn der Motor unter hoher Belastung steht und die Motortemperatur unterhalb normaler Betriebstemperatur liegt.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Erwärmen des Katalysators (60) durch elektrisches Erwärmen des Katalysators erfolgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, welches weiterhin den Schritt zur Kontrolle des Stau- bzw. Abgasdruckes, welcher durch die Abgase gebildet wird, umfasst.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Kontrollschritt des Stau- bzw. Abgasdruckes die Kontrolle eines an den elektrisch beheizten Katalysator (EHC) (60) gekoppelten Ventils (80) umfasst.
  10. Verfahren nach Anspruch 5, worin der Abgasbehandlungsschritt in einem CC-Katalysator erfolgt, welcher 62 Zellen pro cm2 umfasst (400 cpsi).
  11. Verfahren nach Anspruch 5, welches weiterhin den Schritt der Behandlung von Abgasen in einem Light off-Katalysator (70) zur Entfernung der HC-Komponente aus den Abgasen umfasst, wenn der Motor bei einer Temperatur oberhalb normaler Betriebstemperaturen betrieben wird.
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