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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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SACHGEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich auf eine Abgas-Schadstoffbegrenzungsvorrichtung
eines Verbrennungsmotors.
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BESCHREIBUNG
DES IN BEZUG STEHENDEN STANDES DER TECHNIK
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Ein
Drei-Wege-Katalysator wird weit verbreitet als der Abgas-Schadstoffreinigungskatalysator
eines Verbrennungsmotors verwendet. Allerdings besitzt der derzeitige
Drei-Wege-Katalysator eine sehr niedrige Effektivität, wenn
die Temperatur niedrig ist. Hierzu sind verschiedene Studien vorgenommen worden,
um Katalysatoren zu untersuchen, die sehr aktiv gerade bei niedrigen
Temperaturen sind, um dadurch eine Emission zu verringern, wenn
der Motor in den Zuständen
unter niedriger Temperatur startet.
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Das
U.S. Patent Nr. 5,776,417 offenbart eine Abgas-Schadstoffbegrenzungsvorrichtung,
die einen Katalysator verwendet, der stark bei relativ niedriger Temperatur
aktiv ist.
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Das
Dokument
DE 19 800
654 A offenbart ein Abgassystem, das eine HC-Falle, eine
H
2O-Falle und einen CO-Oxidationskatalysator
aufweist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Der
CO-Oxidationskatalysator, der im Stand der Technik, der vorstehend
beschrieben ist, verwendet wird, ist in der Aktivität bei niedrigen
Temperaturen verbessert, allerdings muss nicht gesagt werden, dass
er eine höhere
Aktivität
bei hohen Temperaturen besitzt. Wenn ein Anstieg in der Temperatur
beschleunigt wird, wird die Effektivität einer Motorschadstoffreinigung
verbessert, unmittelbar nachdem der Motor startet. Im Hinblick hierauf
haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung genaue Studien durchgeführt, die
sich auf nicht benutzte Energie beziehen, die in dem Abgas enthalten
ist, wobei diese Energie dabei effektiv ist, einen Anstieg in der
Temperatur zu beschleunigen.
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In
dem vorstehenden Stand der Technik wird ein CO-Oxidationskatalysator
mit niedriger Anspringtemperatur verwendet. Allerdings ist eine
HC-Falle einströmseitig
des CO-Oxidationskatalysators
angeordnet und eine H2O-Falle ist weiterhin
einströmseitig der
HC-Falle angeordnet,
da die Aktivität
bei niedriger Temperatur des CO-Oxidationskatalysators durch das
Vorhandensein von H2O und HC gestört wird.
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Wenn
die H2O-Falle H2O,
das in dem Abgas von einem Motor enthalten ist, adsorbiert, werden Adsorptionswärme und
Kondensationswärme
abgegeben. Dies macht es möglich,
eine Hypothese dahingehend aufzustellen, dass ein Anstieg in der
Temperatur des Katalysators beschleunigt werden kann, wenn diese
Wärmen
genutzt werden. Die Erfinder haben herausgefunden, dass diese Wärmen verbraucht
werden, um die Temperatur der HC-Falle,
angeordnet ausströmseitig
des Motors und eines Abgasrohres, anzuheben, und deshalb nahezu
keinen Beitrag zu einem Anstieg in der Temperatur des Katalysators
in dem vorstehend angegebenen Stand der Technik leisten.
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Die
Erfinder führten
Experimente in Bezug auf den Effekt der Wärme, die mit der H2O-Falle erzeugt wird,
aus. Ein Vergleich wurde zwischen dem Fall eines Anordnens einer
HC-Falle nahe zu einer H2O-Falle in derselben
Art und Weise wie in dem vorstehend angegebenen Stand der Technik
und dem Fall eines Anordnens einer H2O-Falle
nahe zu der HC-Falle vorgenommen. Als eine Folge wurde bestätigt, dass
die Temperatur des Gases, das in dem CO-Oxidationskatalysator fließt, höher war
und ein Anstieg in der Temperatur und eine Aktivierung des Oxidationskatalysators
in dem letzteren Fall beschleunigt wurden.
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Die
vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf die vorstehenden, experimentellen
Ergebnisse gemacht worden und es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine
frühe Aktivierung
eines CO-Oxidationskatalysators zu erreichen, indem H2O
entfernt wird, das eine Komponente ist, die die Aktivität des Katalysators stört, und
indem der Effekt eines Ansteigens der Temperatur aufgrund der Adsorptionswerte
und der Kondensationswerte H2O effektiv
genutzt wird, wenn der Oxidationskatalysator mit niedriger Anstiegstemperatur
verwendet wird.
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Eine
Abgas-Schadstoffbegrenzungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
weist einen CO-Oxidationskatalysator auf, der Charakteristika einer
niedrigen Anspringtemperatur und einer H2O-Falle,
angeordnet benachbart zu und einströmseitig des CO-Oxidationskatalysators
besitzt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
ein Blockdiagramm einer Abgas-Schadstoffbegrenzungsvorrichtung eines
Verbrennungsmotors gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
ein Strömungsdiagramm,
das die Arbeitsweise der Abgas-Schadstoffbegrenzungsvorrichtung
gemäß der ersten
Ausführungsform
darstellt.
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3A zeigt
ein Blockdiagramm entsprechend einem Vergleichsbeispiel, bei dem
eine HC-Falle ausströmseitig
einer H2O-Falle angeordnet ist.
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3B zeigt
ein Blockdiagramm gemäß der vorliegenden
Erfindung, wobei eine H2O-Falle ausströmseitig
einer HC-Falle angeordnet ist.
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3C zeigt
eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen den Strukturen
eines Katalysators und einer Falle in einer Abgas-Schadstoffbegrenzungsvorrichtung
und die Zeit der Aktivierung des Katalysators darstellt.
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4 zeigt
ein Blockdiagramm einer Abgas-Schadstoffbegrenzungsvorrichtung eines
Verbrennungsmotors gemäß der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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5 zeigt
eine Ansicht, die ein Aufbaubeispiel 1 eines Unterboden-Katalysators
gemäß der zweiten
Ausführungsform
darstellt.
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6 zeigt
eine Ansicht, die ein Aufbaubeispiel 2 eines Unterboden-Katalysators
gemäß der zweiten
Ausführungsform
darstellt.
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7A zeigt
eine Ansicht, die ein Beispiel A darstellt, in dem eine H2O-Falle als die obere Schicht angeordnet
ist und ein CO-Oxidationskatalysator als die untere Schicht in dem
Aufbaubeispiel 2 des Unterboden-Katalysators, gemäß der zweiten
Ausführungsform,
angeordnet ist.
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7B zeigt
eine Ansicht, die ein Beispiel B darstellt, in dem ein CO-Oxidationskatalysator
als die obere Schicht angeordnet ist und eine H2O-Falle
als die untere Schicht in dem Aufbaubeispiel 2 des Unterboden-Katalysators
gemäß der zweiten
Ausführungsform
angeordnet ist.
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7C zeigt
eine Ansicht, die ein Beispiel C zeigt, in dem eine H2O-Falle
und ein CO-Oxidationskatalysator
gemischt sind und in dem Aufbaubeispiel 2 des Unterboden-Katalysators gemäß der zweiten Ausführungsform
getragen sind.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Eine
erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 1 erläutert. Ein
Abgasrohr 2 von einem Motorgehäuse 1 ist mit einem
Abgas-Schadstoffbegrenzungskatalysator 3 versehen.
Weiterhin ist ein Unterboden-Katalysatorsystem,
das einen CO-Oxidationskatalysator 6 umfasst, das Eigenschaften
einer niedrigen Anspringtemperatur besitzt, ausströmseitig
des Abgas-Schadstoffreinigungskatalysators 3 angeordnet.
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Das
Unterboden-Katalysatorsystem CS besitzt eine Struktur, in der eine
HC-Falle 4, eine H2O-Falle 5 und
der CO-Oxidationskatalysator 6 in dieser Reihenfolge von
der Einströmseite
aus gesehen angeordnet sind. Hierbei ist die H2O-Falle 5 nicht nur
an einer Position benachbart zu dem und einströmseitig des CO-Oxidationskatalysators 6 angeordnet,
sondern auch nahe zu der Einströmseite
des CO-Oxidationskatalysators 6. Ein Temperatursensor 7 ist
an dem CO-Oxidationskatalysator 6 befestigt.
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Ein
sekundäres
Lufteinlassrohr 9, das sich von einer Luftpumpe 8 aus
erstreckt, ist zwischen der HC-Falle 4 und der H2O-Falle 5 verbunden. Hierbei wird
die eingeführte,
sekundäre
Luft dazu verwendet, eine Reaktion zu steuern, die an dem CO-Oxidationskatalysator
abläuft.
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Der
vorstehende Abgaskatalysator 3 ist ein Drei-Wege-Katalysator,
der durch Beschichten eines Wabenträgers mit Aluminiumdioxid erhalten
ist, das mindestens eine Komponente trägt, die aus Edelmetallen, wie
beispielsweise Platin (Pt), Palladium (Pd) und Rhodium (Rh), ausgewählt ist
und Eigenschaften besitzt, dass sie HC, CO und NOx zur selben Zeit,
zu der das Abgasluft/Kraftverhältnis
mit dem theoretischen Luft/Kraftstoffverhältnis über einstimmt, und HC und CO
durch eine Oxidationsreaktion, wenn überschüssige Luft vorhanden ist, reinigt.
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Für die vorstehende
HC-Falle 4 wird ein Material, das durch Beschichten eines
Wabenträgers
mit einem Zeolit (zum Beispiel b-Zeolit, Zeolit vom A-Typ, Zeolit
vom Y-Typ, Zeolit vom X-Typ, ZSM-5, USY, Mordenit und Ferrierit)
erhalten ist, verwendet.
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Für die vorstehende
H2O-Falle 5 wird ein Material,
das durch Beschichten eines Wabenträgers mit einem Zeolit (zum
Beispiel b-Zeolit, Zeolit vom A-Typ, Zeolit vom Y-Typ, Zeolit vom
X-Typ, ZSM-5, USY, Mordenit und Ferrierit) erhalten ist, verwendet.
Das Zeolit von A-Typ
(insbesondere 5A) ist besonderes bevorzugt.
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Der
vorstehende CO-Oxidationskatalysator 6 kann ein Drei-Wege-Katalysator,
der durch Beschichten eines Wabenträgers mit Cerdioxid erhalten ist,
das mindestens eine Komponente trägt, die aus Edelmetallen, wie
beispielsweise Platin (Pt), Palladium (Pd) und Rhodium (Rh), ausgewählt ist.
Allerdings kann irgendein Material, das die Eigenschaften (Eigenschaften
einer niedrigen Anspringtemperatur) besitzt, die eine hoch effektive
Umwandlung von CO von dem Zeitpunkt an ermöglichen, zu dem die Temperatur
niedrig ist, verwendet werden. Ein solcher Katalysator wird als
Katalysator mit "niedriger
Anspringtemperatur" bezeichnet,
wobei "Anspringen" bedeutet, dass der
Katalysator bei einer annehmbaren Umwandlungseffektivität startet.
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Das
vorstehende Einlassrohr 9 für sekundäre Luft kann einströmseitig
des CO-Oxidationskatalysators 6 und
ausströmseitig
des Abgas-Schadstoffreinigungskatalysators 3 angeordnet
sein. Allerdings erhöht
sich, wenn das Einlassrohr 9 für sekundäre Luft einströmseitig
der HC-Falte 4 angeordnet ist, SB der HC-Falle 4,
um dadurch die Dissoziation von HC zu unterstützen, wogegen dann, wenn es
ausströmseitig
der H2O-Falle angeordnet ist, H2O,
das eine Komponente ist, die die Aktivität des Katalysators in der sekundären Luft,
die in dem CO-Oxidationskatalysator 6 fließt, stört. Deshalb
ist das Einlassrohr 9 für sekundäre Luft
vorzugsweise zwischen der HC-Falle 4 und der H2O-Falle 5 angeordnet.
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Der
Ablauf des Betriebs in dieser Ausführungsform wird gemäß einem
Flussdiagramm der 2 durchgeführt. Dieses Programm wird zum
Beispiel jede Sekunde ausgeführt.
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Im
Schritt S1 wird die Starttemperatur Tstart des
CO-Oxidationskatalysators, wobei die Temperatur durch einen CO-Oxidationskatalysator-Temperatursensor 7 erfasst
wird und gespeichert wird, wenn der Motor startet, gelesen, um zu
beurteilen, ob die Temperatur Tstart geringer
als eine vorgegebene Temperatur a (zum Beispiel 200°C) ist oder
nicht ist.
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Wenn
die Temperatur Tstart < a ist, wird der CO-Oxidationskatalysator 6 dahingehend
beurteilt, dass er noch nicht aktiviert ist, und dann geht der Vorgang
weiter zu Schritt S2.
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Im
Schritt S2 wird die vorhandene Temperatur Tcat des
CO-Oxidationskatalysators 6, wobei die Temperatur durch
den CO-Oxidationskatalysator-Temperatursensor 7 erfasst
wird, gelesen, um zu beurteilen, ob die Temperatur Tcat so
vorliegt oder nicht, dass sie oberhalb einer vorgegebenen Temperatur
c (zum Beispiel 600°C)
durch eine Behandlung im Schritt S3, wie dies später erläutert werden wird, liegt.
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Wenn
die Temperatur Tstart < c ist, wird der CO-Oxidationskatalysator 6 dahingehend
beurteilt, dass er noch nicht aktiviert ist, und dann geht das Verfahren
weiter zu Schritt S3.
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In
Schritt S3 wird, um eine große
Menge an CO und Luft in den CO-Oxidationskatalysator 6 einzuführen, ein
Soll-Kraftstoff/Luft-Verhältnis
TFBYA unter der Steuerung einer Zündgröße auf ein vorbestimmtes Kraftstoff/Luft-Verhältnis (zum
Beispiel 1,5) eingestellt, während
zugelassen wird, dass die Luftpumpe 8 arbeitet, um dadurch
sekundäre
Luft hier zuzuführen,
um das Verhältnis
(Cat-In TFBYA) der Abgas-Kraftstoff/Luft, die in den CO-Oxidationskatalysator 6 floss,
auf ein vorbestimmtes Kraftstoff/Luft-Verhältnis b (zum Beispiel 0,9)
durch die Steuerung der sekundären
Luft einzustellen.
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Hierbei
ist das Soll-Kraftstoff/Luftverhältnis TFBYA
der Umkehrwert des Überschussluftverhältnisses
und nimmt 1 bei dem theoretischen Kraftstoff/Luftverhältnis an,
eine Zahl größer als
1, wenn überschüssiger Kraftstoff
vorhanden ist, und eine Zahl geringer als 1, wenn überschüssige Luft
vorhanden ist. Wenn das Soll-Kraftstoff/Luftverhältnis TFBYA eingestellt ist,
wird die Einspritzmenge Tp durch Multiplizieren
der Basiseinspritzmenge (K·Qa/Ne; K ist konstant)
entsprechend zu dem theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis eingestellt
und durch einen Einlassluftstrom Qa und
eine Motorgeschwindigkeit Ne durch das Soll-Kraftstoff/Luftverhältnis TFBYA
eingestellt. Basierend auf der Einspritzmenge Tp wird ein Kraftstoffeinspritzventil
auf der Seite des Motors 1 so angesteuert, um Kraftstoff
einzuspritzen.
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Weiterhin
wird die Menge der sekundären Luft
durch die Einspritzmenge Tp, die Einlassluftströmung Qa, das vorbestimmte Kraftstoff/Luft-Verhältnis R
und das vorbestimmte Kraftstoff/Luft-Verhältnis b eingestellt. Das vorbestimmte
Kraftstoff/Luft-Verhältnis
R und das vorbestimmte Kraftstoff/Luft-Verhältnis b werden im voraus durch
Experimente gefunden.
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Eine
solche Behandlung im Schritt S3 ermöglicht, dass die Oxidationsreaktion
zwischen einer großen
Menge an CO und Luft fortschreitet, um einen Anstieg in der Temperatur
des CO-Oxidationskatalysators 6 aufgrund von Reaktionswärme zu unterstützen. Falls
Tact = c ist, wird der CO-Oxidationskatalysator 6 dahingehend
beurteilt, dass er sich in einem aktivierten Zustand befindet, und
zwar basierend auf der Beurteilung im Schritt S2 in dem Programm
zu der nächsten
Zeit und nach der nächsten
Zeit, und dann geht das Verfahren weiter zu Schritt S4. Die vorbestimmte
Temperatur c wird im voraus durch Experimente gefunden.
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Im
Schritt S4 wird das Soll-Kraftstoff/Luft-Verhältnis TFBYA zu einem normalen
Zustand zurückgeführt und
auch wird die Luftpumpe 8 abgeschaltet, um eine Zuführung der
sekundären Luft
zu unterbrechen, wodurch die Motorsteuerung zu einem normalen Betrieb
zurückgeführt wird.
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Andererseits
wird, wenn Tstart = a in der Beurteilung
am Schritt S1 ist, der CO-Oxidationskatalysator 6 dahingehend
beurteilt, dass er sich in einem aktivierten Zustand befindet, und.
dann geht das Verfahren weiter zu Schritt S4. Im Schritt S4 wird
das Soll-Kraftstoff/Luft-Verhältnis TFBYA
auf normal eingestellt und sekundäre Luft wird nicht durch die
Luftpumpe 8 zugeführt,
um das System in den Zustand einer normalen Motorsteuerung zu bringen.
Die vorbestimmte Temperatur a wird im voraus durch Experimente festgestellt.
Es sollte angemerkt werden, dass das folgende Verfahren im Schritt
S1 angewandt werden kann. Genauer gesagt wird die Temperatur des
Kühlwassers,
wenn der Motor startet, anstelle der Temperatur des CO-Oxidationskatalysators,
wenn der Motor startet, erfasst, und basierend auf diesem Ergebnis
wird die Entscheidung in derselben Art und Weise wie vorstehend
vorgenommen.
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3C stellt
die Ergebnisse von Experimenten für eine Fahrzeugevaluierung
dar, wenn der Aufbau A (Vergleichsbeispiel) und der Aufbau B (vorliegende
Erfindung) in einem Unterboden-Katalysatorsystem, das in 1 gezeigt
ist, verwendet werden.
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Ein
Anstieg in der Temperatur des Einlasses für den CO-Oxidationskatalysator,
wenn der Motor bei niedrigen Temperaturen startet, ist wesentlicher in
dem Fall des Aufbaus B (vorliegende Erfindung), in dem die HC-Falle,
die H2O-Falle und der CO-Oxidationskatalysator
in dieser Reihenfolge von der Einströmseite aus angeordnet sind,
um die H2O-Falle nur unmittelbar ausströmseitig
des CO-Oxidationskatalysators anzuordnen, als in dem Fall des Aufbaus
A (Vergleichsbeispiel), in dem die H2O-Falle,
die HC-Falle und der CO-Oxidationskatalysator
in dieser Reihenfolge von der Einströmseite aus angeordnet sind.
Deshalb wird der CO-Oxidationskatalysator früh in dem Fall der vorliegenden
Erfindung aktiviert. Dies kommt daher, dass Adsorptionswärme und
Kondensationswärme
von H2O in der H2O-Falle
effektiv zu einem Anstieg in der Temperatur des Abgases beitragen.
In dem Fall des Aufbaus A tragen sie, da diese erzeugten Wärmen zum
Erwärmen
des Abgasrohrs und für
Strahlungswärme
von dem Abgasrohr verbraucht werden, nicht effektiv zu einem Anstieg
in der Abgastemperatur bei.
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Als
nächstes
wird eine zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erläutert.
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4 stellt
ein Blockdiagramm eines Motorabgassystems in dieser Ausführungsform
dar. Dieselben Elemente wie solche in 1 sind mit
denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Ein
Abgasrohr 2 von einem Motorgehäuse 1 ist mit einem
Abgas-Schadstoffreinigungskatalysators 3 versehen. Ein
Unterboden-Katalysator 10, der einen CO-Oxidationskatalysator
umfasst, der Charakteristika einer niedrigen Anspringtemperatur
besitzt, und eine H2O-Falle sind ausströmseitig
des Abgas-Schadstoffreinigungskatalysators angeordnet.
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Ein
Einlassrohr 9 für
sekundäre
Luft, das sich von einer Luftpumpe 8 erstreckt, ist zwischen
dem Abgas-Schadstoffreinigungskatalysator 3 und dem Unterboden-Katalysator 10 verbunden.
Die sekundäre
Luft, die hier eingeführt
ist, wird dazu verwendet, eine Reaktion in dem CO-Oxidationskatalysator 6 zu kontrollieren.
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Das
Luft/Kraftstoff-Verhältnis
und die Menge der sekundären
Luft werden basierend auf Signalen von einem Temperatursensor 7,
befestigt an dem Unterboden-Katalysator 10, entsprechend
einem Flußdiagramm
der 2, das vorstehend beschrieben ist, gesteuert.
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Die
Aufbaubeispiele des Unterboden-Katalysators 10 sind in 5, 6 und
in den 7A bis 7C dargestellt.
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Das
Aufbaubeispiel der 6 wird dadurch erhalten, dass
zugelassen wird, dass der CO-Oxidationskatalysator und die H2O-Falle auf demselben Wabenträger durch
getrenntes Aufbringen der beiden schichtweise oder durch Mischen
der beiden beschichtet werden. Da die beiden sehr nahe zueinander
angeordnet sind, kann der Effekt eines Anstiegs in der Temperatur
aufgrund der Adsorption von Wärme
von H2O in einer effizienten Art und Weise
verwendet werden.
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In
drei Typen eines Aufbaus, dargestellt in den 7A bis 7C,
ist kein großer
Unterschied in den Temperaturanstiegseigenschaften vorhanden. Allerdings
ist eine Struktur, in der die H2O-Falle
als die obere Schicht angeordnet ist, wie dies in 7A dargestellt
ist, dahingehend erwünscht,
dass sie effizient H2O entfernt, das eine
Komponente ist, die die Aktivität
des Katalysators stört.
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Es
sollte angemerkt werden, dass, obwohl die HC-Falle in dieser Ausführungsform
weggelassen ist, sie ausströmseitig
des Abgas-Schadstoffreinigungskatalysators 3 und des Einlassrohrs 9 für sekundäre Luft
und einströmseitig
des Unterboden-Katalysators 10, der den CO-Oxidationskatalysator
und die H2O-Falle enthält, angeordnet sein kann.
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Obwohl
die Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen
beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht auf die Ausführungsformen,
die vorstehend beschrieben sind, beschränkt. Modifikationen und Variationen
der Ausführungsformen,
die vorstehend beschrieben sind, werden für Fachleute auf dem Fachgebiet
im Hinblick auf die vorstehenden Lehren ersichtlich.