DE60201305T2

DE60201305T2 - Abgasreinigungsanlage und Verfahren für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE60201305T2
Application number: DE60201305T
Authority: DE
Inventors: Matsuei Aichi-gun Aichi-ken Ueda; Yoshihiko Aichi-gun Aichi-ken Itoh; Hirofumi Aichi-gun Aichi-ken Shinjoh; Koji Aichi-gun Aichi-ken Yokota; Kiyomi Aichi-gun Aichi-ken Nakakita; Tomoyuki Aichi-gun Aichi-ken Kayama
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2001-07-19
Filing date: 2002-07-16
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2022-07-17
Also published as: EP1277928B1; JP2003035128A; JP4265120B2; EP1277928A1; DE60201305D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen (Abgasreinigungsvorrichtung) und ein Verfahren, die teilchenförmige Materialien (nachstehend als "PM" abgekürzt) und gasförmige Komponenten in Abgastemperaturbereichen effizient beseitigen können. Die PM und die gasförmigen Komponenten sind in Abgasen enthalten, die von Dieselmotoren, usw., emittiert werden. Die PM bestehen vorwiegend aus Kohlenstoff. Die gasförmigen Komponenten sind HC (Kohlenwasserstoffe), NO_x und dergleichen.
In den Abgasen, die von Dieselmotoren emittiert werden, sind PM enthalten, die Kohlenstoff, lösliche organische Fraktionen (nachstehend als "SOF" abgekürzt), polymere organische Verbindungen, Schwefelsäurenebel, usw., umfassen. Im Hinblick auf die Luftverschmutzung und den nachteiligen Einfluss auf den menschlichen Körper sind die Bemühungen in Richtung einer Hemmung der PM-Emission verstärkt worden. Um die PM-Emission zu hemmen, gibt es die folgenden zwei Wege: Ein Verfahren zum Einfangen der PM durch Filter und ein Verfahren des Verbrennens und Entfernens der PM unter Verwendung von Katalysatoren des Durchströmungstyps. Es wurden Konstruktionsentwicklungen durchgeführt, in denen jedes dieser Verfahren unabhängig oder die beiden Verfahren kombiniert eingesetzt werden.
Bezüglich des Filters wird ein wabenförmiges wärmebeständiges Substrat verwendet, dessen an entgegengesetzten Enden liegenden Öffnungen abwechselnd in einem Schachbrettmuster geschlossen sind. Darüber hinaus sind die Katalysatoren des Durchströmungstyps nicht in einer Struktur ausgebildet, welche die PM herausfiltert. Insbesondere weisen sie Verbindungsöffnungen auf, deren durchschnittlicher Durchmesser 0,05 mm, vorzugsweise 0,2 mm oder mehr ist, was sehr viel größer ist als die Teilchendurchmesser der PM. Auf den Verbindungsdurchgängen ist eine katalytische Beschichtungsschicht ausgebildet, die Aluminiumoxid, usw., umfasst, das mit einem Edelmetall beladen ist. Die Katalysatoren des Durchströmungstyps sind in verschiedenen Formen ausgebildet, wie z. B. in Pelletformen, Schaumformen, Wabenformen und dergleichen.
In dem Verfahren zum Einfangen der PM durch Filter ist es erforderlich, eine Wartung durchzuführen, wie z. B. ein Abschütteln der abgeschiedenen PM durch Schwingungen, ein Entfernen der abgeschiedenen PM durch die Durchführung einer Wärmebehandlung bei erhöhten Temperaturen, usw. Demgemäß müssen die Filter eine ausreichende Festigkeit und Wärmebeständigkeit aufweisen, wobei diese Eigenschaften gegenwärtig noch nicht in einer zufrieden stellenden Weise erreicht worden sind. Um das Verfahren auf Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen anzuwenden, besteht darüber hinaus ein Problem dahingehend, dass für die Wartung eine Heizvorrichtung erforderlich ist. Daher beschreibt die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung (KOKAI) Nr. 6-146,852 ein Verfahren, bei dem durch ein durch eine elektrische Entladung erzeugtes Plasma Radikale erzeugt werden und die auf einem Filter abgeschiedenen PM bei einer niedrigen Temperatur durch die resultierenden Radikale oxidiert werden.
In dem Verfahren, bei dem die abgeschiedenen PM durch ein durch eine elektrische Entladung erzeugtes Plasma verbrannt und entfernt werden, ist jedoch eine hohe elektrische Energie erforderlich, so dass die Energieeffizienz gering ist. Darüber hinaus ist es in dem Verfahren, bei dem Filter verwendet werden, bevorzugt, Filter zu verwenden, deren Maschenweite klein ist, um die PM-Einfangeffizienz zu erhöhen. Wenn die Maschenweite klein ist, besteht jedoch ein Hauptproblem darin, dass sich der Druckverlust vergrößert. Darüber hinaus besteht selbst dann, wenn die abgeschiedenen PM verbrannt und entfernt werden, ein weiteres Problem darin, dass die zurückbleibende Asche ein Verstopfen der Filter verursacht.
Deshalb wird ein Verfahren als vielversprechend erachtet, bei dem die PM unter Verwendung von Katalysatoren des Durchströmungstyps oxidiert und verbrannt werden. Um die PM zu oxidieren und zu verbrennen, ist es möglich, Oxidationskatalysatoren zu verwenden, in denen beispielsweise ein Edelmetall wie z. B. Pt, usw., aufgebracht ist. In diesem Fall werden jedoch die PM, die nicht mit den Oxidationskatalysatoren in Kontakt kommen, so wie sie sind emittiert. Darüber findet selbst dann, wenn die PM mit den Oxidationskatalysatoren in Kontakt kommen, der Kontakt zwischen den Festphasen statt. Demgemäß entsteht ein Problem dahingehend, dass die PM nicht so stark oxidiert und verbrannt werden, da die PM mit einer geringen Wahrscheinlichkeit mit den katalytischen Komponenten in Kontakt kommen. Folglich werden auch die folgenden Katalysatoren verwendet: Katalysatoren, die NO in Abgasen zu NO₂ oxidieren und die starke Oxidationsaktivität von NO₂ nutzen, oder Katalysatoren, deren Oxidationsaktivität durch die Verwendung eines sauerstofffreisetzenden Elements erhöht wird, usw.
Darüber hinaus beschreibt das japanische Patent Nr. 3,056,626 ein Verfahren, bei dem die PM durch Einfangen der aufgeladenen PM auf Pellets, die aus einer ferroelektrischen Substanz hergestellt sind, mit einer elektrostatischen Kraft, und durch die Erzeugung eines Mikroplasmas zwischen den Pellets verbrannt und entfernt werden. Mit einer solchen Anordnung ist es möglich, die Einfangeffizienz der PM durch die Verwendung eines Katalysators des Durchströmungstyps zu erhöhen, und es ist möglich, die eingefangenen PM effizient zu verbrennen und zu entfernen.
Die Temperatur des von Dieselmotoren emittierten Abgases beträgt üblicherweise weniger als 300°C. Darüber hinaus ist die Abgastemperatur beim Starten von Dieselmotoren viel niedriger. Wenn die PM durch Edelmetallkatalysatoren oxidiert und verbrannt werden, entsteht demgemäß ein Problem dahingehend, dass die PM im Niedertemperaturbereich, in dem Edelmetalle nur schwer aktiviert werden können, in einer großen Menge emittiert werden.
Darüber hinaus ist in dem Verfahren, bei dem die PM mit einer elektrostatischen Kraft eingefangen und die eingefangenen PM durch eine elektrische Entladung verbrannt und entfernt werden, die zur elektrischen Entladung erforderliche Eiektrizität so groß, dass die Energieeffizienz niedrig ist. Darüber hinaus werden in dem Verfahren, bei dem die PM mit einer elektrostatischen Kraft eingefangen werden, die PM, die durch das Einfangen ihre Ladung verlieren, wieder abgegeben und schließlich emittiert, ohne oxidiert und verbrannt zu werden. Demgemäß besteht zwangsläufig eine Grenze bezüglich der Verminderung der PM-Emission.
Die WO 01/30485 beschreibt einen nicht-thermischen Plasmareaktor, in dem mindestens eine Komponente eines aktiven Materials ausgewählt oder modifiziert wird, um ein Vermögen zum Absorbieren oder Einfangen einer vorgegebenen chemischen Spezies in der Gasströmung bereitzustellen, wodurch die effektive Verweilzeit der Spezies relativ zu der Verweilzeit der nicht-absorbierten Spezies in der Gasströmung erhöht wird.
Das US-Patent Nr. 5,715,677 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verminderung von NO_x und Teilchen von Dieselmotoren durch Absorbieren von NO_x auf einem festen Absorptionsmittelbett, das gleichzeitig als physikalische Falle für das teilchenförmige Material wirkt, und dann Regenerieren des festen Absorptionsmittels durch eine gepulste Plasmazersetzung des absorbierten NO_x und anschließend Luftoxidieren des eingefangenen teilchenförmigen Materials.
In Jelles et al., "Molten salts as promising catalysts for oxidation of diesel soot: importance of experimental conditions in testing procedures", Applied Catalysis B: Environmental 21 (1999), 35–49, ist die katalytische Aktivität für die Rußoxidation unter Verwendung von drei eutektischen Salzgemischen auf der Basis von Oxiden oder Sulfaten von Molybdän, Vanadium und Cäsium beschrieben.
Die EP 0 299 197 A2 beschreibt einen elektrostatischen Teilchenfilter, der eine Sammelelektrode zum Trennen von Teilchen von einem Gas aufweist. Zur Oxidation verbrennbarer Teilchen wird eine Koronaentladung eingesetzt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, teilchenförmiges Material in einem Abgas von einem Verbrennungsmotor effizient einzufangen und zu oxidieren, wobei diese Aufgabe durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 16 gelöst wird.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 15 angegeben.
Mit der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung und dem erfindungsgemäßen Abgasreinigungsverfahren ist es folglich möglich, die PM unter Verwendung von Katalysatoren des Durchströmungstyps einzufangen, und es ist möglich, die eingefangenen PM im Niedertemperaturbereich effizient zu oxidieren und zu verbrennen. Darüber hinaus ist es möglich, eine Erhöhung des Elektrizitätsverbrauchs zu verhindern, so dass die vorliegende Abgasreinigungsvorrichtung in Abgassystemen von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden kann.
Ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und vieler ihrer Vorteile kann durch die folgende detaillierte Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen erlangt werden, die einen Teil der Offenbarung bilden.
1 ist ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung von Beispiel Nr. 1;
2 ist eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht, die eine PM-Einfang- und Verbrennungsvorrichtung veranschaulicht, die in der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung von Beispiel Nr. 1 verwendet wurde;
3 ist ein Fließdiagramm zur Veranschaulichung, wie die erfindungsgemäße Abgasreinigungsvorrichtung von Beispiel Nr. 1 gesteuert wurde;
4 ist ein erläuterndes Diagramm zur Veranschaulichung eines Vorteils der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung von Beispiel Nr. 1;
5 ist ein erläuterndes Diagramm zur Veranschaulichung eines weiteren Vorteils der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung von Beispiel Nr. 1;
6 ist ein Fließdiagramm zur Veranschaulichung, wie die erfindungsgemäße Abgasreinigungsvorrichtung von Beispiel Nr. 2 gesteuert wurde;
7 ist ein erläuterndes Diagramm zur Veranschaulichung des Bereichs, der durch die Motordrehzahl und die Last abgegrenzt ist, bei dem keine PM erzeugt werden;
8 ist eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht, die eine PM-Einfang- und Verbrennungsvorrichtung zeigt, die in der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung von Beispiel Nr. 3 verwendet wurde;
9 ist ein Fließdiagramm zur Veranschaulichung, wie die erfindungsgemäße Abgasreinigungsvorrichtung von Beispiel Nr. 3 gesteuert wurde;
10 ist ein erläuterndes Diagramm zur Veranschaulichung eines Vorteils der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung von Beispiel Nr. 3;
11 ist ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung von Beispiel Nr. 4;
12 ist ein Fließdiagramm zur Veranschaulichung, wie die erfindungsgemäße Abgasreinigungsvorrichtung von Beispiel Nr. 4 gesteuert wurde; und
13 ist ein erläuterndes Diagramm zur Veranschaulichung eines Vorteils der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung von Beispiel Nr. 4.
Nach der allgemeinen Beschreibung der vorliegenden Erfindung kann ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung durch die nachstehend angegebenen spezifischen bevorzugten Ausführungsformen erlangt werden, die jedoch nur der Veranschaulichung dienen und den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche nicht beschränken.
Eine erfindungsgemäße Abgasreinigungsvorrichtung umfasst eine Aufladungseinrichtung zum Aufladen von PM, eine Einfangeinrichtung zum Einfangen der aufgeladenen PM durch eine elektrostatischen Kraft, wobei die Einfangeinrichtung einen Katalysator mit mindestens einer Oxidationsaktivität umfasst, und eine Entladungseinrichtung zur Oxidation der PM, die auf der Einfangeinrichtung eingefangen worden sind, mittels einer elektrischen Entladung. Daher werden die PM, die in Abgasen enthalten sind, aufgeladen, wenn sie die Aufladungs einrichtung durchlaufen, und auf der Einfangeinrichtung mittels einer elektrostatischen Kraft eingefangen. Dann wird, da die PM, die auf der Einfangeinrichtung eingefangen worden sind, durch den Katalysator, der in der Einfangeinrichtung enthalten ist, oxidiert und verbrannt werden, eine Abscheidung der PM auf der Einfangrichtung verhindert. Folglich wird eine Erhöhung des Druckverlusts verhindert.
Wenn ein Motor gestartet wird, fällt die Temperatur der Abgase jedoch in den Niedertemperaturbereich und der Katalysator wird nicht auf die Aktivierungstemperatur erhitzt, so dass es schwierig ist, die PM zu oxidieren und zu verbrennen. Deshalb wird in der vorliegenden Abgasreinigungsvorrichtung in einem solchen Fall die Entladungseinrichtung aktiviert und die auf der Einfangeinrichtung eingefangenen PM werden durch die elektrische Plasmaentladung verbrannt und entfernt. Wenn sich jedoch die PM auf der Einfangeinrichtung abscheiden, so dass der Katalysator bedeckt und dessen Aktivität vermindert wird, können die abgeschiedenen PM durch Betätigen der Entladungseinrichtung verbrannt und entfernt werden. Folglich ist es möglich, den Katalysator zu reaktivieren.
Daher ist es mit der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung möglich, die PM im Niedertemperaturbereich bis zum Hochtemperaturbereich durch die unabhängige Verwendung des Katalysators und der Entladungseinrichtung oder durch deren gleichzeitige Verwendung stabil zu verbrennen und zu entfernen. Als Folge davon ist es möglich, eine Erhöhung des Druckverlusts zu verhindern.
Bezüglich der Aufladungseinrichtung können Einrichtungen verwendet werden, welche die PM aufladen können. Es können Einrichtungen zum Anlegen einer Gleichspannung von wenigen Kilovolt an die Abgase, Einrichtungen zum Anlegen einer pulsierenden Wechselspannung von 10 kV oder mehr an die Abgase, Einrichtungen zur Erzeugung einer elektrischen Entladung in den Abgasen, Einrichtungen zum Bestrahlen der Abgase mit Hochfrequenz oder einem Ionenstrahl, Einrichtungen zum Entladen der Abgase durch Reibung, usw., eingesetzt werden. Durch die Entladungseinrichtung wird, da eine Energie verbraucht wird, die zum Aufladen nur der PM eingesetzt wird, nicht viel elektrische Energie verbraucht.
Darüber hinaus handelt es sich bei der Einfangeinrichtung um eine Stelle, welche die geladenen PM durch eine elektrostatische Kraft einfängt. Beispielsweise ist es möglich, einen Teil der vorliegenden Abgasreinigungsvorrichtung, der geerdet ist, als Einfangeinrichtung auszubilden.
Die Form der Einfangeinrichtung ist nicht speziell beschränkt. Die Einfangeinrichtung kann auf der Wandoberfläche der Abgasdurchgänge oder in Plattenformen, Röhrenformen, Pelletformen, Wabenformen, Netzformen und dergleichen ausgebildet sein. Darüber hinaus ist es möglich, die Einfangeinrichtung unabhängig von der Aufladungseinrichtung auf einer stromabwärts liegenden Seite bezüglich der Aufladungseinrichtung anzuordnen. Alternativ ist es möglich, die Einfangeinrichtung so zu konstruieren, dass sie Teil der Aufladungseinrichtung ist. Wenn beispielsweise eine elektrische Entladung durch Anlegen einer Gleichspannung zwischen einem Paar von Elektroden erzeugt wird, die in den Abgasen vorliegen, werden die PM üblicherweise negativ aufgeladen und durch eine elektrostatische Kraft an der Elektrode der positiven Seite oder der geerdeten Seite adsorbiert. Wenn daher die Einfangeinrichtung als Elektrode der positiven Seite oder geerdeten Seite ausgebildet ist, werden die PM kontinuierlich auf der Einfangeinrichtung eingefangen und dadurch durch den Katalysator in der Einfangeinrichtung oxidiert und verbrannt.
Bezüglich des Katalysators, der in der Einfangeinrichtung enthalten ist und mindestens eine Oxidationsaktivität aufweist, ist es möglich, Oxidationskatalysatoren, 3-Wege-Katalysatoren und Katalysatoren des NO_x-Speicher-und-Reduktions-Typs, in denen ein Edelmetall auf einem Träger aufgebracht ist, usw., zu verwenden. Bezüglich des Trägers ist es möglich, mindestens ein poröses Oxid zu verwenden, das aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Titanoxid, Siliziumdioxid oder Mischoxiden davon und dergleichen zu verwenden. Bezüglich des Edelmetalls ist es möglich, mindestens ein Element zu verwenden, das aus der Gruppe bestehend aus Pt, Rh, Pd, Ir, usw., ausgewählt ist. Es sollte beachtet werden, dass die Katalysatoren des NO_x-Speicher-und-Reduktions-Typs Oxidationskatalysatoren mit einem darauf aufgebrachten NO_x-Speicherelement, wie z. B. Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, Seltenerdelementen, usw., sind. Die Beladungsmengen der Edelmetalle oder die Beladungsmengen der NO_x-Speicherelemente können denjenigen entsprechen, die bei den herkömmlichen Oxidationskatalysatoren, 3-Wege-Katalysatoren oder Katalysatoren des NO_x-Speicher-und-Reduktions-Typs eingesetzt werden.
Bei der katalytischen Komponente, die in der Einfangeinrichtung enthalten ist und mindestens eine Oxidationsaktivität aufweist, kann es sich ferner vorzugsweise um mindestens ein Mitglied handeln, das aus der Gruppe bestehend aus katalytischen Komponenten mit einer Funktion zur Freisetzung von Sauerstoff, Katalysatoren mit einer Funktion zur Erzeugung von NO₂, Katalysatoren des geschmolzenen Salz-Typs, die bei einer vorgegebenen Temperatur oder höher schmelzen und die eingefangenen PM verbrennen, ausgewählt ist. Da die katalytischen Komponenten oder Katalysatoren eine beträchtlich hohe Oxidationsaktivität zeigen, ist es möglich, die eingefangenen PM effizienter zu oxidieren und zu verbrennen.
Die katalytischen Komponenten, die eine Funktion zur Freisetzung von Sauerstoff aufweisen, können Metalloxide sein, welche die allgemeine Formel "MO_x" haben, worin der Wert "x" abhängig von der Temperatur und/oder der Atmosphäre leicht variieren kann. Es sollte beachtet werden, dass Sauerstoff, der in dem Austauschprozess zwischen dem inneren Oxid und der Gasphase erzeugt wird, ein höheres PM-Oxidationsvermögen aufweist als der Sauerstoff der Gasphase. Insbesondere können in der vorliegenden Erfindung Eisenoxid, Manganoxid, usw., verwendet werden. Ceroxid, Ceroxid-Zirkoniumoxid-Mischoxide und dergleichen sind bevorzugte Optionen.
Beispiele für die Katalysatoren mit einer Funktion zur Erzeugung von NO₂ sind Katalysatoren, usw., bei denen mindestens ein Element, das aus der Gruppe bestehend aus Edelmetallen wie z. B. Pt, Pd, Rh, Ir, usw., ausgewählt ist, auf einem porösen Träger aufgebracht ist, der beispielsweise aus Aluminiumoxid, Siliziumdioxid oder dergleichen zusammengesetzt ist.
Zum Einbringen der katalytischen Komponenten oder der Katalysatoren in die Einfangeinrichtung steht ein Verfahren zur Verfügung, bei dem eine Beschichtungsschicht, die einen pulverförmigen Katalysator umfasst, auf eine Oberfläche der Einfangeinrichtung aufgebracht wird. Alternativ ist es möglich, die Einfangeinrichtung selbst aus einem porösen Oxid auszubilden und ein Edelmetall zur Herstellung eines Katalysators auf die Oberfläche aufzubringen. Darüber hinaus entspricht der Gehalt des Katalysators in der Einfangeinrichtung der Größe der Einfangeinrichtung, der Menge der eingefangenen PM, der Aktivität des Katalysators oder dergleichen. Wenn der Katalysator jedoch als Beschichtungsschicht auf einer Oberfläche der Einfangeinrichtung ausgebildet ist, kann diese vorzugsweise in einer Dicke im Bereich von 0,01 bis 1 mm ausgebildet sein. Wenn die Dicke unter dem unteren Grenzwert liegt, wird die Einfangeinrichtung für praktische Zwecke zu groß. Wenn die Dicke über dem oberen Grenzwert liegt, ist es schwierig, die innere katalytische Komponente effektiv zu nutzen.
Der Katalysator kann ferner ein Katalysator des geschmolzenen Salz-Typs sein, der bei einer vorgegebenen Temperatur oder höher schmilzt und die eingefangenen PM oxidiert und entfernt. Die vorgegebene Temperatur bezieht sich auf eine Temperatur oder eine höhere Temperatur von Abgasen, die von Verbrennungsmotoren emittiert werden und die vorgegebene Temperatur kann vorzugsweise niedriger sein. Insbesondere wenn die vorliegende Erfindung auf Dieselmotoren angewandt wird, deren Abgastemperatur niedriger ist, kann die vorgegebene Temperatur vorzugsweise 300°C oder weniger betragen. Wenn der Katalysator des geschmolzenen Salz-Typs als Katalysator verwendet wird, ist es, da dieser schmilzt und in einen flüssigen Zustand umgewandelt wird, möglich, die PM mit einer größeren Sicherheit einzufangen. Ferner ist der Kontaktbereich zwischen den PM und dem Katalysator so groß, dass es möglich ist, die PM effizient zu oxidieren und zu verbrennen. Da darüber hinaus selbst dann, wenn die PM ihre Ladung verlieren, verhindert wird, dass die PM, die von dem Katalysator des geschmolzenen Salz-Typs eingefangen worden sind, sich wieder verteilen, ist es möglich, die Emission der PM weiter zu vermindern.
Als Katalysatoren des geschmolzenen Salz-Typs können Cs₂MoO₄-V₂O₅, CsVO₃-MoO₃, Cs₂SO₄-V₂O₅ oder Cs₂O·V₂O₅, K₂O·V₂O₅, usw., verwendet werden. Es ist jedoch ganz besonders bevorzugt, Katalysatoren des geschmolzenen Salz-Typs zu verwenden, die einen festen Träger und eine auf den festen Träger aufgebrachte katalytische Komponente umfassen, wobei es sich um mindestens eine Verbindung handelt, die aus der Gruppe bestehend aus Silbernitrat, Nitraten von Alkalimetallen, Nitraten von Erdalkalimetallen und Nitraten von Seltenerdelementen ausgewählt ist. Da die Katalysatoren des geschmolzenen Salz-Typs auf Nitratbasis in einem viel niedrigeren Temperaturbereich schmelzen, ist es möglich, die PM in den Dieselabgasen, deren Temperatur niedrig ist, effizient zu oxidieren und zu verbrennen.
Darüber hinaus ist in den Katalysatoren des geschmolzenen Salz-Typs auf Nitratbasis die katalytische Komponente, die ein geschmolzenes Salz umfasst, auf den festen Träger aufgebracht. Selbst wenn das geschmolzene Salz in den flüssigen Zustand gebracht wird, bleibt das geschmolzene Salz durch die Wechselwirkung zwischen dem geschmolzenen Salz und dem festen Träger an dem festen Träger haften. Demgemäß besteht kein Nachteil dahingehend, dass das geschmolzene Salz zur stromabwärts liegenden Seite fließt. Da darüber hinaus die katalytische Komponente bei Normaltemperatur fest ist, ist eine einfache Handhabung des Katalysators möglich. Darüber hinaus ist es möglich, den Katalysator in der gleichen Weise wie herkömmliche 3-Wege-Katalysatoren und dergleichen in Abgasdurchgängen anzuordnen.
Da darüber hinaus die Nitrate als geschmolzenes Salz verwendet werden, werden die Nitrate selbst dann, wenn die Nitrate im Hochtemperaturbereich zersetzt werden, durch die in Abgasen enthaltenen Stickoxide erneut gebildet. Da die katalytischen Komponenten regeneriert werden, sind die Katalysatoren des geschmolzenen Salz-Typs auf Nitratbasis bezüglich der Dauerbeständigkeit gut. Es sollte beachtet werden, dass es möglich ist, dieses Phänomen zur Entfernung von NO_x zu nutzen.
Wenn darüber hinaus geschmolzene Salze wie z. B. Lithiumnitrat, usw., verwendet werden, die bei einer sehr niedrigen Temperatur schmelzen, wird das Kontaktierungsvermögen zwi schen dem resultierenden Katalysator und den PM im Niedertemperaturbereich verbessert. Folglich ist es möglich, die PM in einem breiten Temperaturbereich von einem Niedertemperaturbereich bis zu einem Hochtemperaturbereich zu oxidieren und zu verbrennen.
Bezüglich des festen Trägers, der in den Katalysatoren des geschmolzenen Salz-Typs auf Nitratbasis verwendet wird, können Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Titanoxid, Siliziumdioxid, Zeolith, usw., verwendet werden, die in den herkömmlichen 3-Wege-Katalysatoren, usw., eingesetzt worden sind. Es ist jedoch ganz besonders bevorzugt, basische Träger wie z. B. Magnesiumoxidspinell, Zirkoniumoxid, Oxide von Alkalimetallen, Oxide von Erdalkalimetallen, Oxide von Seltenerdelementen und dergleichen einzusetzen. Die Oxide von Erdalkalimetallen können Magnesiumoxid, usw., sein. Die Oxide von Seltenerdelementen können Lanthanoxid, Neodymoxid, usw., sein. Durch die Verwendung der basischen Träger werden die Festphasenreaktionen zwischen den katalytischen Komponenten und den Trägern unterdrückt. Demgemäß sind die resultierenden Katalysatoren bezüglich der Dauerbeständigkeit verbessert.
Die katalytische Komponente umfasst mindestens eine Verbindung, die aus der Gruppe bestehend aus Silbernitrat, Nitraten von Alkalimetallen, Nitraten von Erdalkalimetallen und Nitraten von Seltenerdelementen ausgewählt ist. Beispiele für Nitrate von Alkalimetallen sind KNO₃, CsNO₃, NaNO₃, LiNO₃, usw. Beispiele für Nitrate von Erdalkalimetallen sind Ba(NO₃)₂, Sr(NO₃)₂, Ca(NO₃)₂, Mg(NO₃)₂, usw. Beispiele für Nitrate von Seltenerdelementen sind Y₂(NO₃)₃, La₂(NO₃)₃, Nd₂(NO₃)₃, Pr₂(NO₃)₃, usw. Eines der Oxide kann unabhängig verwendet werden, oder eine Mehrzahl der Oxide kann kombiniert werden, um Mischnitrate herzustellen, die auf den festen Träger aufgebracht werden. Durch die Verwendung von Mischnitraten sinkt der Schmelzpunkt in vielen Fällen.
Als Mischnitrate sind die folgenden bevorzugt: AgNO₃-CsNO₃, CsNO₃-KNO₃, CsNO₃-NaNO₃, CsNO₃-LiNO₃, KNO₃-Mg(NO₃)₂, LiNO₃-NaNO₃, NaNO₃-Ca(NO₃)₂, NaNO₃-Mg(NO₃)₂, AgNO₃-KNO₃-NaNO₃, AgNO₃-NaNO₃-Ba(NO₃)₂, KNO₃-LiNO₃-NaNO₃, KNO₃-NaNO₃-Mg(NO₃)₂, KNO₃-Ba(NO₃)₂-Ca(NO₃)₂, KNO₃-Ba(NO₃)₂-Sr(NO₃)₂, KNO₃-Ca(NO₃)₂-Sr(NO₃)₂, LiNO₃-NaNO₃-Ca(NO₃)₂, NaNO₃-Ca(NO₃)₂-Mg(NO₃)₂, NaNO₃-Ca(NO₃)₂-Sr(NO₃)₂, KNO₃-NaNO₃-Ca(NO₃)₂-Mg(NO₃)₂, usw. Wenn die Mischnitrate verwendet werden, ist es möglich, den Schmelzpunkt auf 200°C oder weniger einzustellen.
Die in den katalytischen Komponenten enthaltenen Nitrate weisen vorzugsweise einen niedrigen Schmelzpunkt und eine hohe Zersetzungstemperatur auf. Mit solchen Nitraten ist es möglich, die PM in einem breiten Temperaturbereich sowie in Abgasen mit einer großen Raumgeschwindigkeit effizient zu verbrennen und zu entfernen. Beispielsweise sind von den vorstehend genannten Nitraten die Nitrate, welche die Alkalimetallnitrate umfassen, mehr bevorzugt, und die Nitrate, die LiNO₃ umfassen, sind ganz besonders bevorzugt.
Die Beladungsmenge der Nitrate kann 1 Gew.-% oder mehr betragen. Wenn die Beladungsmenge weniger als 1 Gew.-% beträgt, ist es schwierig, die PM zu oxidieren und zu verbrennen. Je höher die Beladungsmenge der Nitrate ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass die Oxidations- und Verbrennungstemperatur der PM sinkt. Wenn die Nitrate jedoch in einer Menge von 120 Gew.-% oder mehr aufgebracht werden, werden sie auf dem Träger unzureichend stabilisiert, so dass ein Fall eintreten kann, bei dem sie auf die stromabwärts liegende Seite fließen und dort agglomerieren. Somit ist die Beladungsmenge vorzugsweise kleiner als 120 Gew.-%.
Die katalytischen Komponenten können vorzugsweise ferner eine oxidationsbeschleunigende Komponente umfassen. Die oxidationsbeschleunigende Komponente beschleunigt die Oxidation und Verbrennung der PM durch eine Oxidation der SOF oder dergleichen in den PM. Bezüglich der oxidationsbeschleunigenden Komponente ist es möglich, Edelmetalle und verschiedene Oxide zu verwenden. Das Edelmetall kann Pt, Pd, Rh, usw., sein. Die Oxide können CeO₂, ZrO₂, feste Lösungen von CeO₂-ZrO₂, BaO, CaO, V₂O₅, ZnO, WO₃, MoO₃, NiO, FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃, MnO₂, Cr₂O₃, CuO, CoO, Co₃O₄, usw., sein. Von diesen Edelmetallen und Oxiden können die oxidationsbeschleunigenden Komponenten insbesondere Pt umfassen. Pt bewirkt nicht nur die Oxidation der SOF, sondern auch die Reduktion von NO_x in Abgasen. Wenn darüber hinaus Pt angrenzend an die Nitrate aufgebracht wird, wird der resultierende Katalysator bezüglich der Dauerbeständigkeit verbessert, da das Pt die Nitrate regeneriert, die bei erhöhten Temperaturen zersetzt worden sind.
Wenn die oxidationsbeschleunigende Komponente ein Edelmetall ist, liegt die Beladungsmenge vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 bis 10 Gew.-%. Wenn die oxidationsbeschleunigende Komponente ein entsprechendes Oxid ist, liegt die Beladungsmenge vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 50 Gew.-%. Wenn die Beladungsmenge unter den unteren Grenzwerten liegt, bewirkt die oxidationsbeschleunigende Komponente den Vorteil nicht. Wenn die Beladungsmenge über den oberen Grenzwerten liegt, tritt nicht nur bei dem Vorteil eine Sättigung ein, sondern es könnte auch ein Fall auftreten, bei dem die oxidationsbeschleunigende Komponente einen nachteiligen Einfluss ausübt.
Wenn die Nitrate auf den festen Träger aufgebracht werden, kann der feste Träger mit einer wässrigen Lösung der Nitrate getränkt werden und der feste Träger kann getrocknet werden.
Wenn die oxidationsbeschleunigenden Komponenten auf den festen Träger aufgebracht werden, können sie darüber hinaus unter Verwendung einer wässrigen Lösung ihrer metallischen Verbindungen auf den festen Träger aufgebracht werden und der feste Träger kann kalziniert werden.
Wenn der Katalysator des geschmolzenen Salz-Typs in die Einfangeinrichtung einbezogen wird, kann der Katalysator des geschmolzenen Salz-Typs vorzugsweise so nahe wie möglich an der Oberflächenseite der Einfangeinrichtung vorliegen. Es ist besonders bevorzugt, den Katalysator des geschmolzenen Salz-Typs auf der Oberfläche der Einfangeinrichtung in einer schichtartigen Weise auszubilden. Beispielsweise gibt es ein Verfahren, bei dem ein Pulver des Katalysators des geschmolzenen Salz-Typs zusammen mit einem Bindemittel und einem Lösungsmittel in die Form einer Aufschlämmung gebracht und die resultierende Aufschlämmung auf die Oberfläche der Einfangeinrichtung aufgebracht wird, worauf die Einfangeinrichtung wärmebehandelt wird. Wenn dies der Fall ist, ist es bevorzugt, organische Lösungsmittel zu verwenden, in welche die Nitrate nicht ausgewaschen werden. Es ist jedoch auch möglich, Wasser, usw., zu verwenden, in das die Nitrate ausgewaschen werden. Darüber hinaus kann als Bindemittel Aluminiumnitrat und dergleichen verwendet werden.
Der Gehalt des Katalysators des geschmolzenen Salz-Typs in der Einfangeinrichtung wird entsprechend der Größe der Einfangeinrichtung, der Menge der eingefangenen PM, der Aktivität des Katalysators des geschmolzenen Salz-Typs oder dergleichen festgelegt. Wenn der Katalysator des geschmolzenen Salz-Typs jedoch auf der Oberfläche der Einfangeinrichtung in einer schichtartigen Weise angeordnet wird, ist es bevorzugt, den Katalysator des geschmolzenen Salz-Typs in einer Dicke auszubilden, die in einen Bereich von 0,01 bis 1 mm fällt. Wenn die Dicke unter dem unteren Grenzwert liegt, ist die Einfangeinrichtung für praktische Zwecke zu groß. Wenn die Dicke über dem oberen Grenzwert liegt, ist es schwierig, die innere katalytische Komponente effektiv zu nutzen.
Durch Anbringen des Katalysators an der PM-Einfangeinrichtung ist es auch möglich, die Entfernung von NO_x, wobei die PM ein Reduktionsmittel darstellen, gleichzeitig mit der Verbrennung der PM durchzuführen. Darüber hinaus ist es möglich, auch die Entfernung der HC durchzuführen. Um NO_x und HC besser zu entfernen, ist es bevorzugt, unabhängig von der Einfangeinrichtung einen anderen Katalysator zur Entfernung von NO_x und HC anzuordnen.
Die Entladungseinrichtung ist ein Teil, das die PM, die auf der Einfangeinrichtung eingefangen worden sind, durch eine elektrische Entladungsenergie verbrennt und entfernt, und die Entladungseinrichtung ist so aufgebaut, dass sie durch Anlegen einer Hochspannung von etwa 10 bis 50 kV eine elektrische Plasmaentladung erzeugt. Bezüglich der Hochspannungsquelle kann eine Gleichspannung, eine Wechselspannung, eine pulsierende Wechselspannung oder dergleichen verwendet werden. Beispielsweise sind ein oder mehrere Paar(e) von Elektroden in der Einfangeinrichtung oder angrenzend an die Einfangeinrichtung angeordnet, und durch eine elektrische Entladung zwischen den Elektroden wird ein Plasma erzeugt. Folglich ist es möglich, die eingefangenen PM zu verbrennen und zu entfernen. Die Form der Elektroden ist nicht speziell beschränkt. Es ist jedoch bevorzugt, die Elektroden in einer Nadelform, einer Kantenform, usw., auszubilden, bei der es wahrscheinlich ist, dass eine elektrische Entladung verursacht wird.
Es ist möglich, die Entladungseinrichtung so auszubilden, dass sie gemeinsam mit der Aufladungseinrichtung vorliegt. Wenn die PM eingefangen werden, können die PM durch Anlegen einer relativ niedrigen Spannung an die Entladungs/Aufladungseinrichtung aufgeladen werden. Wenn die PM in einem bestimmten Ausmaß auf der Einfangeinrichtung abgeschieden worden sind, können die PM durch Anlegen einer Hochspannung an die Entladungs/Aufladungseinrichtung, so dass eine elektrische Entladung verursacht wird, verbrannt werden.
Es sollte beachtet werden, dass eine starke Elektrizität zugeführt wird, wenn die Entladungseinrichtung eine elektrische Entladung verursacht. Demgemäß sind in einem solchen Verfahren, bei dem die Entladungseinrichtung kontinuierlich eine elektrische Entladung verursacht, die Belastungen für eine Kraftfahrzeugbatterie so hoch, dass dies für die Praxis nicht geeignet ist. Deshalb ist es bevorzugt, die Betätigung der Entladungseinrichtung zu steuern.
Wenn die Temperatur der Abgase in einem Hochtemperaturbereich liegt, ist es möglich, die PM ohne Betätigung der Entladungseinrichtung zu oxidieren und zu verbrennen, da der Katalysator der Einfangeinrichtung voll aktiviert ist. Somit ist es bevorzugt, dass die vorliegende Abgasreinigungsvorrichtung ferner einen Temperatursensor zum Erfassen mindestens einer der Temperatur der Abgase, die in die Einfangeinrichtung strömen, und der Temperatur der Einfangeinrichtung umfasst, wobei die Entladungseinrichtung betätigt wird, wenn die Temperatur unter einem vorgegebenen Wert liegt. Bei einer solchen Anordnung ist es möglich, die Entladungseinrichtung nur in einem Niedertemperaturbereich zu betätigen, in dem es schwierig ist, den in der Einfangeinrichtung enthaltenen Katalysator zu aktivieren. Folglich ist die vorliegende Abgasreinigungsvorrichtung bezüglich der Energieeffizienz verbessert.
Ferner ist es bevorzugt, die Entladungseinrichtung nur dann zu aktivieren, wenn die PM in einem bestimmten Ausmaß auf der Einfangeinrichtung abgeschieden worden sind. Wenn dies der Fall ist, ist es bevorzugt, dass die vorliegende Abgasreinigungsvorrichtung ferner einen PM-Sensor zum Erfassen der eingefangenen Menge der auf der Einfangeinrichtung eingefangenen PM umfasst, wobei die Entladungseinrichtung betätigt wird, wenn die eingefangene Menge bei einem vorgegebenen Wert oder höher liegt. Der PM-Sensor kann unter anderem auf einem Verfahren beruhen, das derart ist, dass die eingefangene Menge aufgrund der Kapazitätsdifferenz zwischen der Elektrode der Aufladungseinrichtung und der Einfangeinrichtung ermittelt wird.
Ferner kann der Gehalt der PM in den Abgasen bei der vorliegenden Abgasreinigungsvorrichtung vorzugsweise aus den Betriebszuständen der Verbrennungsmotoren abgeschätzt werden, und mindestens eine der Aufladungseinrichtung und der Entladungseinrichtung kann vorzugsweise betätigt werden, wenn der Gehalt einen vorgegebenen Wert oder mehr aufweist. Bei einer solchen Anordnung ist es dann, wenn die PM beim gewöhnlichen Fahren nur in einer geringen Menge in den Abgasen vorliegen, möglich, die Betätigung der Aufladungseinrichtung oder der Entladungseinrichtung zu vermeiden. Demgemäß ist es möglich, einen Energieverlust zu vermeiden. Andererseits wird die Entladungseinrichtung nur dann betätigt, wenn der PM-Gehalt in den Abgasen beim Beschleunigen und dergleichen hoch ist, so dass die Entladungseinrichtung bei der Verbrennung der PM unterstützt. Folglich ist es möglich, einen unnötigen Elektrizitätsverbrauch zu verhindern und dadurch ist die vorliegende Abgasreinigungsvorrichtung bezüglich der Energieeffizienz verbessert.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die vorliegende Abgasreinigungsvorrichtung mit den vorstehend beschriebenen zusätzlichen Merkmalen ferner einen zweiten Katalysator umfasst, der auf mindestens einer von einer stromaufwärts liegenden Seite und einer stromabwärts liegenden Seite bezüglich der Einfangeinrichtung angeordnet ist und mindestens ein Mitglied umfasst, das aus der Gruppe bestehend aus Oxidationskatalysatoren, 3-Wege-Katalysatoren, NO_x-reduzierenden Katalysatoren und Katalysatoren des NO_x-Speicher-und-Reduktions-Typs ausgewählt ist. Wenn beispielsweise einer der zweiten Katalysatoren auf der stromaufwärts liegenden Seite bezüglich der Einfangeinrichtung angeordnet ist, bewirkt der zweite Katalysator Oxidationsreaktionen, so dass die Temperatur der Abgase erhöht wird. Demgemäß ist es möglich, die Oxidation und Verbrennung der PM an der Einfangeinrichtung zu beschleunigen. Wenn die 3-Wege-Katalysatoren auf einer stromaufwärts liegenden Seite oder einer stromabwärts liegenden Seite bezüglich der Einfangeinrichtung angeordnet sind, kann die Emission von HC und CO unterdrückt werden. Wenn die NO_x-reduzierenden Katalysatoren auf einer stromaufwärts liegenden Seite oder einer stromab wärts liegenden Seite bezüglich der Einfangeinrichtung angeordnet sind, kann die Emission von NO_x unterdrückt werden. Daher ist es möglich, nicht nur die PM zu entfernen, die von Dieselmotoren emittiert werden, sondern auch die gasförmigen schädlichen Komponenten. Folglich kann die Umweltverschmutzung weiter vermindert werden.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die vorliegende Abgasreinigungsvorrichtung mit den vorstehend beschriebenen zusätzlichen Merkmalen ferner eine zweite Entladungseinrichtung umfasst, die auf einer stromabwärts liegenden Seite bezüglich der Einfangeinrichtung angeordnet ist, wobei die zweite Entladungseinrichtung schädliche Komponenten, die in Abgasen von der Einfangeinrichtung enthalten sind, durch eine elektrische Entladung entfernt. Durch eine solche Anordnung ist es selbst dann, wenn die Temperatur der Abgase in einem Niedertemperaturbereich liegt, in dem der Katalysator nur schwer zu aktivieren ist, möglich, HC, CO und NO_x durch eine elektrische Entladung zu entfernen. Es sollte jedoch beachtet werden, dass dann, wenn die Temperatur der Abgase in einen Hochtemperaturbereich fällt, in dem der Katalysator aktiviert ist, und wenn HC, CO und NO_x entsprechend durch eine elektrische Entladung entfernt werden, die Elektrizität in einer so großen Menge verbraucht wird, dass die Energieeffizienz schlecht ist.
Folglich ist es bevorzugt, dass die vorliegende Abgasreinigungsvorrichtung mit den vorstehend beschriebenen zusätzlichen Merkmalen ferner einen zweiten Katalysator umfasst, der auf mindestens einer von einer stromaufwärts liegenden Seite und einer stromabwärts liegenden Seite bezüglich der zweiten Entladungseinrichtung angeordnet ist, wobei die zweite Entladungseinrichtung mindestens ein Mitglied umfasst, das aus der Gruppe bestehend aus Oxidationskatalysatoren, 3-Wege-Katalysatoren, NO_x-reduzierenden Katalysatoren und Katalysatoren des NO_x-Speicher-und-Reduktions-Typs ausgewählt ist. Bei einer solchen Anordnung ist es möglich, die Abgase durch eine elektrische Entladung in einem Niedertemperaturbereich zu reinigen und die Abgase durch den zweiten Katalysator in einem Hochtemperaturbereich zu reinigen, während die elektrische Entladung abgeschaltet ist. Folglich ist die vorliegende Abgasreinigungsvorrichtung bezüglich der Energieeffizienz verbessert und stellt daher eine in der Praxis sehr nützliche Abgasreinigungsvorrichtung bereit.
Beispiele
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend detailliert unter Bezugnahme auf Beispiele und Vergleichsbeispiele beschrieben.
Beispiel Nr. 1
Die 1 veranschaulicht eine erfindungsgemäße Abgasreinigungsvorrichtung von Beispiel Nr. 1. Die Abgasreinigungsvorrichtung umfasst eine PM-Einfang- und -Verbrennungsvorrichtung 2, eine Hochspannungserzeugungsvorrichtung 3 und eine Steuervorrichtung 4. Die PM-Einfang- und -Verbrennungsvorrichtung 2 ist in einem Abgasdurchgang 10 eines Dieselmotors 1 angeordnet. Die Hochspannungserzeugungsvorrichtung 3 legt eine Gleich- oder Wechselspannung an die PM-Einfang- und -Verbrennungsvorrichtung 2 an. Die Steuervorrichtung 4 empfängt Signale von einer Motorsteuereinheit 11, welche die Betriebszustände des Dieselmotors 1 steuert, um die Hochspannungserzeugungsvorrichtung 3 zu steuern.
Wie es in der 2 detailliert veranschaulicht ist, umfasst die PM-Einfang- und -Verbrennungsvorrichtung 2 einen zylindrischen Einfangabschnitt 20 und eine elektrische Entladungselektrode 21, die in dem Einfangabschnitt 20 angeordnet ist. Der Einfangabschnitt 20 umfasst ein Substrat und ein Oxidationskatalysatorpulver, das auf dem Substrat aufgebracht ist. Das Substrat ist innerhalb eines Metallzylinders angeordnet und aus einer wärmebeständigen Keramik wie z. B. Cordierit, usw., in einer Netzform und einer zylindrischen Form ausgebildet. Das Oxidationskatalysatorpulver wird durch Aufbringen von Pt auf ein Aluminiumpulver in einer Menge von 2 Gew.-% hergestellt. Es sollte beachtet werden, dass der Einfangabschnitt 20 so hergestellt wird, dass die Abgase auch durch die zylindrische Wand strömen können.
Die Beschichtungsschicht, die das Oxidationskatalysatorpulver umfasst, wird durch ein Nassbeschichtungsverfahren in der gleichen Weise gebildet, wie dies bei den allgemein zur Reinigung von Abgasen verwendeten Katalysatoren der Fall ist. Die Dicke der Beschichtungsschicht beträgt 10 bis 1000 μm. Pt wird in einer Menge von 4 g bezogen auf den gesamten Einfangabschnitt 20 aufgebracht.
Die elektrische Entladungselektrode 21 umfasst eine Mehrzahl nadelförmiger Elektroden 22, die radial auf der Mittelachse des Abgasdurchgangs 10 angeordnet sind. Die elektrische Entladungselektrode 21 ist mit der Hochspannungserzeugungsvorrichtung 3 mittels Isolatoren 23 verbunden, die den Abgasdurchgang 10 und den Einfangabschnitt 20 durchdringen. Darüber hinaus sind der Abgasdurchgang 10 und der Einfangabschnitt 20 geerdet. Wenn daher die Hochspannungserzeugungsvorrichtung 3 an die elektrische Entladungselektrode 21 eine Gleichspannung anlegt, werden die PM in den Abgasen negativ aufgeladen und durch eine elektrostatische Kraft in Richtung des Einfangabschnitts 20 angezogen. Wenn die Hochspannungserzeugungsvorrichtung 3 eine Wechselhochspannung an die elektrische Entla dungselektrode 21 anlegt, wird zwischen der inneren Wand des Abgasdurchgangs 10 und den nadelförmigen Elektroden 22 durch die elektrische Entladung ein Plasma erzeugt.
Nachstehend wird, während unter Bezugnahme auf das in der 3 gezeigte Fließdiagramm beschrieben wird, wie die Steuervorrichtung 4 die Abgasreinigungsvorrichtung von Beispiel 1 steuert, der Betrieb der Abgasreinigungsvorrichtung von Beispiel 1 detailliert beschrieben.
Wenn der Dieselmotor 1 gestartet wird, wird die Hochspannungserzeugungsvorrichtung 3 zunächst im Schritt 100 betätigt. Demgemäß wird zwischen der inneren Wand des Abgasdurchgangs 10 und der nadelförmigen Elektroden 22 eine Gleichspannung von –10 kV angelegt. Folglich werden die in dem Abgas enthaltenen PM negativ aufgeladen. Die aufgeladenen PM bewegen sich in Richtung der inneren Wand des Abgasdurchgangs 10 und werden durch den Einfangabschnitt 20 so eingefangen, dass sie darauf abgeschieden werden.
Anschließend werden im Schritt 101 die gegenwärtige PM-Abscheidung X, die Konstante A und die Konstante B, die in dem Speicher der Steuervorrichtung 4 aufgezeichnet sind, abgefragt. Die Konstante A ist der obere Grenzwert (oder die kritische Abscheidung), welcher die Menge der PM angibt, die auf dem Einfangabschnitt 20 abgeschieden werden kann. Die Konstante B ist der Grenzwert, der die Menge der PM angibt, unterhalb derer sich die PM nicht wieder verteilen.
Dann werden im Schritt 102 die gegenwärtige PM-Erzeugung Y und die Abgastemperatur T aus der Drehzahl des Dieselmotors 1 und dessen Lastzuständen berechnet. Diese Werte werden von Daten abgefragt, die im Vorhinein als Kennfeld aufgezeichnet worden sind, das die Beziehungen zwischen der Motordrehzahl des Dieselmotors 1, dessen Last, der PM-Erzeugung und der Abgastemperatur zeigt. Natürlich ist es möglich, diese Werte unter Verwendung von Verhältnisgleichungen zu berechnen, oder die Abgastemperatur mit einem Temperatursensor zu messen.
Im Schritt 103 wird die gegenwärtige Verbrennungsgeschwindigkeit Z des Oxidationskatalysators in der Beschichtungsschicht des Einfangabschnitts 20 aus der Abgastemperatur T berechnet. Dieser Wert wird ebenfalls aus Daten berechnet, die im Vorhinein in dem Speicher der Steuervorrichtung 4 als Kennfeld aufgezeichnet worden sind, das die Beziehung zwischen der Abgastemperatur und der Verbrennungsgeschwindigkeit zeigt. Dann wird im Schritt 104 eine Berechnung X = X + Y – Z durchgeführt, und dadurch wird die gegenwärtige PM-Abscheidung X aktualisiert.
Anschließend wird im Schritt 105 die PM-Abscheidung X mit der Konstante A verglichen. Wenn die PM-Abscheidung X die kritische Abscheidung A übersteigt, wird im Schritt 106 eine Wechselhochspannung von 12,5 kV zwischen der inneren Wand des Abgasdurchgangs 10 und den nadelförmigen Elektroden 22 angelegt. Folglich wird ein Plasma zwischen der inneren Wand des Abgasdurchgangs 10 und den nadelförmigen Elektroden 22 erzeugt. Als Folge davon werden die abgeschiedenen PM verbrannt und entfernt. In diesem Fall wird die PM-Abscheidung X durch Vermindern der PM-Abscheidung gemäß der Zeit, die für die elektrische Entladung erforderlich ist, aktualisiert. Danach kehrt der Prozess zu dem Schritt 102 zurück.
Wenn die PM-Abscheidung X andererseits die kritische PM-Abscheidung A oder weniger ist, wird im Schritt 107 die PM-Abscheidung X mit der Konstante B verglichen. Wenn die PM-Abscheidung X den vorgegebenen Wert B übersteigt, da es sehr wahrscheinlich ist, dass die PM wieder verteilt werden, wird im Schritt 108 die Gleichspannung, die zwischen der inneren Wand des Abgasdurchgangs 10 und den nadelförmigen Elektroden 22 angelegt wird, etwa um 1 kV erhöht. Folglich wird die Spannung der geladenen PM erhöht, um eine erneute Verteilung der PM zu hemmen. Wenn die PM-Abscheidung X dem vorgegebenen Wert B oder weniger entspricht, werden keine Maßnahmen ergriffen und der Prozess kehrt zu dem Schritt 102 zurück.
Daher werden durch die Abgasreinigungsvorrichtung von Beispiel Nr. 1 dann, wenn die PM-Abscheidung X dem vorgegebenen Wert B oder weniger entspricht, die PM im Abgas auf dem Einfangabschnitt 20 nacheinander durch eine Aufladung eingefangen und durch den Oxidationskatalysator, der in dem Einfangabschnitt 20 vorliegt, oxidiert und verbrannt. Folglich werden die PM entfernt. Andererseits wird dann, wenn die PM-Abscheidung X den vorgegebenen Wert B übersteigt, die Spannung der geladenen PM erhöht. Demgemäß ist es möglich, den Zustand aufrechtzuerhalten, in dem die PM auf dem Einfangabschnitt 20 eingefangen werden. Folglich wird eine erneute Verteilung der PM, die durch das Verschwinden der Ladung von den PM verursacht wird, gehemmt.
Wenn die PM-Abscheidung X die kritische Abscheidung A übersteigt, werden die abgeschiedenen PM durch das durch eine elektrische Entladung erzeugte Plasma verbrannt und entfernt. Folglich sinkt die PM-Abscheidung X sehr stark. Als Folge davon erlangt der Einfangabschnitt 20 wieder dessen Einfangvermögen.
Die 4 und 5 veranschaulichen den Vorteil, der durch die Abgasreinigungsvorrichtung von Beispiel Nr. 1 bewirkt wird. In der 4 ist die PM-Umwandlung auf der vertikalen Achse und der Teilchendurchmesser der PM auf der horizontalen Achse aufgetragen. Bei einem herkömmlichen Dieselteilchenfilter treten die PM mit kleinen Teilchendurchmessern durch den Filter hindurch, wie es durch die gestrichelte Linie der Zeichnung gezeigt ist. Folglich lag keine Einfangfunktion vor, solange die PM nicht einen bestimmten Teilchendurchmesser oder mehr aufwiesen. Im Gegensatz dazu war es mit der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung ungeachtet der Teilchendurchmesser der PM möglich, die PM-Umwandlung zu nahezu 100% sicherzustellen.
Darüber hinaus ist in der 5 die PM-Umwandlung auf der vertikalen Achse und die Menge der PM, die in die Vorrichtungen strömen, auf der horizontalen Achse aufgetragen. Wenn beispielsweise die abgeschiedenen PM nur durch den Oxidationskatalysator oder nur durch das durch eine elektrische Entladung erzeugte Plasma entfernt wurden, verminderte sich die PM-Umwandlung mit steigender Menge der einströmenden PM. Im Gegensatz dazu war es mit der erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtung von Beispiel Nr. 1 möglich, die hohe PM-Umwandlung selbst dann sicherzustellen, wenn die Menge der einströmenden PM vergrößert wurde, da es möglich war, die PM sowohl durch den Oxidationskatalysator als auch durch das durch eine elektrische Entladung erzeugte Plasma zu entfernen.
Um darüber hinaus die abgeschiedenen PM durch die elektrische Entladung zu verbrennen, kann die Hochspannungserzeugungsvorrichtung 3 betätigt werden, um eine Hochspannung nur für einen kurzen Zeitraum zu erzeugen, wenn die PM-Abscheidung X die kritische Abscheidung A übersteigt. Daher verbraucht die Abgasreinigungsvorrichtung von Beispiel Nr. 1 weniger Elektrizität und weist eine gute Energieeffizienz auf.
Beispiel Nr. 2
Im Beispiel Nr. 2 wird die Abgasreinigungsvorrichtung von Beispiel Nr. 1 verwendet. Mit der Ausnahme, dass sich die Steuerungsprozesse von denjenigen des Beispiels Nr. 1 unterscheiden, ist das Beispiel Nr. 2 in der gleichen Weise wie das Beispiel Nr. 1 angeordnet. Nachstehend wird unter Bezugnahme auf das in der 6 gezeigte Fließdiagramm detailliert beschrieben, wie die Steuervorrichtung 4 die Abgasreinigungsvorrichtung steuert.
Wenn der Dieselmotor 1 gestartet wird, wird die Hochspannungserzeugungsvorrichtung 3 zunächst im Schritt 200 betätigt. Demgemäß wird zwischen der inneren Wand des Abgasdurchgangs 10 und der nadelförmigen Elektroden 22 eine Gleichspannung von –10 kV angelegt. Folglich werden die in dem Abgas enthaltenen PM negativ aufgeladen. Die aufgelade nen PM bewegen sich in Richtung der inneren Wand des Abgasdurchgangs 10 und werden durch den Einfangabschnitt 20 so eingefangen, dass sie darauf abgeschieden werden.
Anschließend werden im Schritt 201 die gegenwärtige PM-Abscheidung X, die Konstante A und die Konstante Tc, die in dem Speicher der Steuervorrichtung 4 aufgezeichnet sind, abgefragt. Die Konstante A ist die kritische Abscheidung, welche die Menge der PM angibt, die auf dem Einfangabschnitt 20 abgeschieden werden kann. Die Konstante Tc ist die minimale Temperatur (oder Aktivierungstemperatur), bei welcher der Oxidationskatalysator aktiviert wird. Dann werden im Schritt 202 die gegenwärtige PM-Erzeugung Y und die Abgastemperatur T aus der Motordrehzahl des Dieselmotors 1 und dessen Lastzuständen berechnet. Diese Werte werden von Daten abgefragt, die im Vorhinein als Kennfeld aufgezeichnet worden sind, das die Beziehungen zwischen der Drehzahl des Dieselmotors 1, dessen Last, der PM-Erzeugung und der Abgastemperatur zeigt. Natürlich ist es möglich, diese Werte unter Verwendung von Verhältnisgleichungen zu berechnen, oder die Abgastemperatur mit einem Temperatursensor zu messen.
Im Schritt 203 wird die Abgastemperatur T mit der Aktivierungstemperatur Tc verglichen. Wenn die Abgastemperatur T der Aktivierungstemperatur Tc entspricht oder höher als diese ist, werden die abgeschiedenen PM an dem Einfangabschnitt 20 verbrannt und oxidiert. Somit wird im Schritt 204 eine gegenwärtige Verbrennungsgeschwindigkeit Z des Oxidationskatalysators in der Beschichtungsschicht des Einfangabschnitts 20 aus der Abgastemperatur T berechnet. Dieser Wert wird auch aus Daten berechnet, die im Vorhinein in dem Speicher der Steuervorrichtung 4 als Kennfeld aufgezeichnet worden sind, das die Beziehung zwischen der Abgastemperatur und der Verbrennungsgeschwindigkeit zeigt. Dann wird im Schritt 205 eine Berechnung X = X + Y – Z durchgeführt, und dadurch wird die gegenwärtige PM-Abscheidung X aktualisiert.
Wenn andererseits die Abgastemperatur T niedriger ist als die Aktivierungstemperatur Tc, zeigt der Oxidationskatalysator keine Aktivität. Demgemäß bleiben die PM weiter auf dem Einfangabschnitt 20 abgeschieden, da es schwierig ist, die abgeschiedenen PM zu oxidieren und zu verbrennen. Wenn dies der Fall ist, ist es bevorzugt, die abgeschiedenen PM durch ein durch eine elektrische Entladung erzeugtes Plasma zu verbrennen. Es sollte jedoch beachtet werden, dass in der Abgasreinigungsvorrichtung die Aufladungsvorrichtung zusammen mit der Entladungsvorrichtung vorliegt. Folglich ist es schwierig, die PM während der elektrischen Entladung aufzuladen. Demgemäß besteht die Gefahr, dass die PM nicht auf dem Einfangabschnitt 20 eingefangen werden, so dass sich die PM-Emission schließlich vergrößert.
Folglich bedient sich die Steuervorrichtung 4 im Schritt 206 eines in der 7 gezeigten Kennfelds. Bei den Betriebsbedingungen innerhalb des Bereichs R, der in der 7 gezeigt ist, werden die schädlichen Komponenten, welche die PM umfassen, in einem geringeren Ausmaß erzeugt. Bei den Betriebsbedingungen außerhalb des Bereichs R ist es erforderlich, die PM einzufangen. Wenn daher die Motordrehzahl des Dieselmotors 1 und dessen Last, die im Schritt 202 ermittelt werden, im Bereich R liegen, ist es nicht erforderlich, die PM einzufangen. Demgemäß wird im Schritt 207 eine Wechselhochspannung von 12,5 kV zwischen der inneren Wand des Abgasdurchgangs 10 und den nadelförmigen Elektroden 22 angelegt. Folglich wird ein Plasma durch eine elektrische Entladung zwischen der inneren Wand des Abgasdurchgangs 10 und den nadelförmigen Elektroden 22 erzeugt. Als Folge davon werden die abgeschiedenen PM verbrannt und entfernt. Dann wird im Schritt 207 die PM-Abscheidung X durch Vermindern der PM-Abscheidung gemäß der Zeit, die für die elektrische Entladung erforderlich ist, aktualisiert. Danach kehrt der Prozess zu dem Schritt 202 zurück, um mit dem Einfangen der PM fortzufahren. Wenn andererseits die Motordrehzahl des Dieselmotors 1 und dessen Last außerhalb des Bereichs R liegen, ist es erforderlich, die PM einzufangen. Folglich werden keine Maßnahmen ergriffen und der Prozess kehrt zu dem Schritt 202 zurück.
Darüber hinaus wird im Schritt 203, wenn die Abgastemperatur T höher ist als die Aktivierungstemperatur Tc, die gegenwärtige PM-Abscheidung X im Schritt 205 aktualisiert. Dann wird im Schritt 208 die PM-Abscheidung X mit der kritischen Abscheidung A verglichen. Wenn die PM-Abscheidung X die kritische Abscheidung A übersteigt, wird im Schritt 207 eine Wechselhochspannung von 12,5 kV zwischen der inneren Wand des Abgasdurchgangs 10 und den nadelförmigen Elektroden 22 angelegt. Folglich wird ein Plasma durch eine elektrische Entladung zwischen der inneren Wand des Abgasdurchgangs 10 und den nadelförmigen Elektroden 22 erzeugt. Als Folge davon werden die abgeschiedenen PM verbrannt und entfernt. In diesem Fall wird die PM-Abscheidung X durch Vermindern der PM-Abscheidung gemäß der Zeit, die für die elektrische Entladung erforderlich ist, aktualisiert. Danach kehrt der Prozess zu dem Schritt 202 zurück.
Andererseits ist es dann, wenn die PM-Abscheidung X die kritische Abscheidung A oder weniger ist, nach wie vor möglich, die PM einzufangen. Demgemäß werden keine Maßnahmen ergriffen und der Prozess kehrt zu dem Schritt 202 zurück.
Daher ist es mit der Abgasreinigungsvorrichtung von Beispiel Nr. 2 selbst in einem Niedertemperaturbereich, bei dem der Oxidationskatalysator noch nicht aktiviert worden ist, mög lich, die PM durch ein durch eine elektrische Entladung erzeugtes Plasma zu verbrennen und zu entfernen. Folglich ist es möglich, die PM-Emission im Niedertemperaturbereich zu unterdrücken. Darüber hinaus wird nur in einem Fall des Niedertemperaturbereichs, in dem es nicht erforderlich ist, die PM einzufangen, oder in einem Fall, bei dem die PM-Abscheidung X die kritische Abscheidung A übersteigt, eine elektrische Plasmaentladung erzeugt. Folglich verbraucht die Abgasreinigungsvorrichtung weniger Energie und weist eine gute Energieeffizienz auf.
Beispiel Nr. 3
Die 8 veranschaulicht eine Abgasreinigungsvorrichtung von Beispiel Nr. 3. Die Abgasreinigungsvorrichtung unterscheidet sich von derjenigen des Beispiels Nr. 1 bezüglich der folgenden Merkmale. Auf der Beschichtungsschicht des Einfangabschnitts 20 ist anstelle des Oxidationskatalysators ein Katalysator des geschmolzenen Salztyps aufgebracht. Eine Mehrzahl von scheibenförmigen Rippen 24 ist anstelle der nadelförmigen Elektroden 22 angeordnet. Ferner ist ein feiner Kupferdraht 25 auf einer stromaufwärts liegenden Seite bezüglich des Einfangabschnitts 20 angeordnet und erstreckt sich bezüglich des Abgasdurchgangs 10 in der entgegengesetzten Richtung, so dass er sich zwischen den Isolatoren 23 erstreckt. Die Hochspannungserzeugungsvorrichtung 3 legt eine Gleichspannung an den Kupferdraht 25 an. Mit Ausnahme der vorstehend genannten Merkmale ist die Abgasreinigungsvorrichtung mit derjenigen des Beispiels Nr. 1 identisch. Es sollte beachtet werden, dass die Hochspannungserzeugungsvorrichtung 3 nicht nur eine Gleichhochspannung an den Kupferdraht 25 anlegen kann, sondern auch eine Wechselhochspannung an die scheibenförmigen Rippen 24.
Eine Beschichtungsschicht wird auf den Einfangabschnitt 20 in der folgenden Weise aufgebracht. Ein Katalysatorpulver wird durch Aufbringen von 4 g KNO₃ und 2 g Pt bezogen auf 100 g eines Magnesiumoxid-Spinell-Trägers hergestellt. 100 g des Katalysatorpulvers werden zur Herstellung einer Aufschlämmung mit 300 g Wasser gemischt. Der Einfangabschnitt 20 wird mit der Aufschlämmung getränkt und danach bei 250°C getrocknet. Die Dicke der Beschichtungsschicht beträgt 0,1 mm.
Nachstehend wird, während unter Bezugnahme auf das in der 9 gezeigte Fließdiagramm beschrieben wird, wie die Steuervorrichtung 4 die Abgasreinigungsvorrichtung von Beispiel Nr. 3 steuert, der Betrieb der Abgasreinigungsvorrichtung von Beispiel Nr. 3 detailliert beschrieben.
Wenn der Dieselmotor 1 gestartet wird, werden im Schritt 300 zuerst die gegenwärtige PM-Abscheidung X, die kritische Abscheidung A und die Aktivierungstemperatur Tc, die in dem Speicher der Steuervorrichtung 4 aufgezeichnet sind, abgefragt. Darüber hinaus werden im Schritt 301 die gegenwärtige PM-Erzeugung Y und die gegenwärtige Abgastemperatur T aus der Motordrehzahl des Dieselmotors 1 und dessen Lastzuständen berechnet. Diese Werte werden von Daten abgefragt, die im Vorhinein als Kennfeld aufgezeichnet worden sind, das die Beziehungen zwischen der Motordrehzahl des Dieselmotors 1, dessen Last, der PM-Erzeugung und der Abgastemperatur zeigt. Natürlich ist es möglich, diese Werte unter Verwendung von Verhältnisgleichungen zu berechnen, oder die Abgastemperatur mit einem Temperatursensor zu messen.
Folglich bedient sich die Steuervorrichtung 4 im Schritt 302 eines in der 7 gezeigten Kennfelds. Bei den Betriebsbedingungen innerhalb des Bereichs R, der in der 7 gezeigt ist, werden die schädlichen Komponenten, welche die PM umfassen, in einem geringeren Ausmaß erzeugt. Bei den Betriebsbedingungen außerhalb des Bereichs R ist es erforderlich, die PM einzufangen. Wenn daher die Motordrehzahl des Dieselmotors 1 und dessen Last, die im Schritt 301 ermittelt werden, im Bereich R des Kennfelds liegen, ist es nicht erforderlich, die PM einzufangen. Demgemäß werden keine Maßnahmen ergriffen und der Prozess kehrt zum Schritt 301 zurück.
Wenn andererseits die Motordrehzahl des Dieselmotors 1 und dessen Last außerhalb des Bereichs R liegen, wird im Schritt 303 die Hochspannungserzeugungsvorrichtung 3 betätigt, so dass sie eine Gleichspannung von –10 kV an den Kupferdraht 3 anlegt. Folglich werden die PM in dem Abgas negativ aufgeladen und die aufgeladenen PM werden durch den stromabwärts liegenden Einfangabschnitt 20 eingefangen, so dass sie darauf abgeschieden werden. Dann wird im Schritt 304 die Abgastemperatur T mit der Aktivierungstemperatur Tc verglichen. Die Aktivierungstemperatur Tc ist die minimale Temperatur, bei welcher der Katalysator des geschmolzenen Salz-Typs aktiviert wird. Wenn die Abgastemperatur T niedriger ist als die Aktivierungstemperatur Tc, ist es schwierig, die abgeschiedenen PM zu oxidieren und zu verbrennen.
Folglich wird im Schritt 305 eine Wechselhochspannung von 12,5 kV zwischen der inneren Wand des Abgasdurchgangs 10 und den scheibenförmigen Rippen 24 angelegt. Folglich wird ein Plasma durch eine elektrische Entladung zwischen der inneren Wand des Abgasdurchgangs 10 und den scheibenförmigen Rippen 24 erzeugt, wodurch die abgeschiedenen PM verbrannt und entfernt werden. In diesem Fall wird die PM-Abscheidung X durch Vermin dern der PM-Abscheidung gemäß der Zeit, die für die elektrische Entladung erforderlich ist, aktualisiert. Danach kehrt der Prozess zu dem Schritt 301 zurück.
Darüber hinaus wird im Schritt 304, wenn die Abgastemperatur T höher ist als die Konstante Tc, der Katalysator des geschmolzenen Salz-Typs, der auf dem Einfangabschnitt 20 aufgebracht ist, vollständig aktiviert. Demgemäß wird im Schritt 306 die gegenwärtige Verbrennungsgeschwindigkeit Z des Katalysators des geschmolzenen Salz-Typs in der Beschichtungsschicht des Einfangabschnitts 20 aus der Abgastemperatur T berechnet. Dieser Wert wird ebenfalls aus Daten berechnet, die im Vorhinein in dem Speicher der Steuervorrichtung 4 als Kennfeld aufgezeichnet worden sind, das die Beziehung zwischen der Abgastemperatur und der Verbrennungsgeschwindigkeit zeigt. Dann wird im Schritt 307 eine Berechnung X = X + Y – Z durchgeführt, und dadurch wird die gegenwärtige PM-Abscheidung X aktualisiert.
Dabei sollte beachtet werden, dass das KNO₃ geschmolzen wird, so dass es flüssig ist. Demgemäß werden die eingefangenen PM von der flüssigen Phase eingefangen und gleichzeitig oxidiert, so dass sie verbrannt und entfernt werden. Da darüber hinaus die PM von der flüssigen Phase eingefangen werden, wird selbst dann, wenn sie ihre Ladung verlieren, eine erneute Verteilung der PM gehemmt. Daher wird auch die Emission von PM, die aus der erneuten Verteilung resultiert, gehemmt.
Selbst wenn jedoch der Katalysator des geschmolzenen Salz-Typs in die flüssige Phase umgewandelt wird, ergibt sich dann, wenn die Abscheidung der eingefangenen PM ein bestimmtes Maß übersteigt, ein Phänomen dahingehend, dass die PM ihre Ladung verlieren, so dass sie erneut verteilt werden. Wenn folglich die gegenwärtige PM-Abscheidung X im Schritt 307 aktualisiert wird, wird im Schritt 308 die PM-Abscheidung X mit der kritischen Abscheidung A verglichen. Wenn die gegenwärtige PM-Abscheidung X die kritische Abscheidung A oder weniger ist, ist es nach wie vor möglich, die PM einzufangen. Demgemäß werden keine Maßnahmen ergriffen und der Prozess kehrt zum Schritt 301 zurück.
Wenn andererseits die gegenwärtige PM-Abscheidung X größer ist als die kritische Abscheidung A, besteht die Gefahr, dass die PM erneut verteilt werden. Folglich ist es erforderlich, die PM zu verbrennen. Folglich wird im Schritt 305 eine Wechselhochspannung von 12,5 kV zwischen der inneren Wand des Abgasdurchgangs 10 und den scheibenförmigen Rippen 24 angelegt. Folglich wird ein Plasma durch eine elektrische Entladung zwischen der inneren Wand des Abgasdurchgangs 10 und den scheibenförmigen Rippen 24 erzeugt, wodurch die abgeschiedenen PM verbrannt und entfernt werden. In diesem Fall wird die PM-Abscheidung X durch Vermindern der PM-Abscheidung gemäß der Zeit, die für die elektrische Entladung erforderlich ist, aktualisiert. Danach kehrt der Prozess zu dem Schritt 301 zurück.
Bei der Abgasreinigungsvorrichtung des Beispiels Nr. 3 ist der Katalysator des geschmolzenen Salz-Typs, der schmilzt, so dass er in eine Flüssigkeit umgewandelt wird, auf dem Einfangabschnitt 20 aufgebracht. Daher ist es möglich, die erneute Verteilung der eingefangenen PM weiter zu hemmen. Ferner ist es in dem Niedertemperaturbereich, in dem der Katalysator des geschmolzenen Salz-Typs nicht aktiviert ist, möglich, die abgeschiedenen PM durch eine elektrische Plasmaentladung zu verbrennen und zu entfernen. Als Folge davon ist es möglich, die PM von einem Niedertemperaturbereich bis zu einem Hochtemperaturbereich mit einer hohen Umwandlung zu entfernen.
Die 10 veranschaulicht den Vorteil, der durch die Abgasreinigungsvorrichtung von Beispiel Nr. 3 bewirkt wird. In der 10 ist die PM-Umwandlung auf der vertikalen Achse und die Zeit auf der horizontalen Achse aufgetragen. In einem Fall, bei dem die PM nur durch den Katalysator des geschmolzenen Salz-Typs oxidiert und verbrannt wurden, ohne die PM durch das durch eine elektrische Entladung erzeugte Plasma zu verbrennen, wurde die PM-Abscheidung im Zeitverlauf größer. Da eine erneute Verteilung der PM stattfand, sank die PM-Umwandlung, und schließlich wurden die PM überhaupt nicht oxidiert, so dass sie als solche emittiert wurden. Darüber hinaus erreichte in einem Fall, bei dem der Katalysator des geschmolzenen Salz-Typs nicht aufgebracht worden ist und nur die elektrische Entladung durchgeführt wurde, die PM-Umwandlung einen bestimmten Sättigungswert, da das durch die elektrische Entladung erzeugte Plasma zu einem Zeitpunkt erzeugt wurde, bei dem die PM-Abscheidung X mit der kritischen Abscheidung A zusammenfiel. Im Gegensatz dazu war es bei dem Abgasreinigungskatalysator des Beispiels Nr. 3 möglich, eine hohe PM-Umwandlung ungeachtet der vergangenen Zeit sicherzustellen, da es möglich war, die PM sowohl durch den Katalysator des geschmolzenen Salz-Typs als auch durch das durch eine elektrische Entladung erzeugte Plasma zu entfernen.
Darüber hinaus kann die Hochspannungserzeugungsvorrichtung 3 betätigt werden, um mit der Hochspannung durch eine elektrische Entladung ein Plasma zu erzeugen, das die abgeschiedenen PM verbrennt, und zwar nur für einen kurzen Zeitraum, wenn die Abgastemperatur in den Niedertemperaturbereich fällt oder wenn die PM-Abscheidung X die kritische Abscheidung A übersteigt. Daher verbraucht die Abgasreinigungsvorrichtung von Beispiel Nr. 3 weniger Elektrizität und weist eine gute Energieeffizienz auf.
Beispiel Nr. 4
Die 11 veranschaulicht eine Abgasreinigungsvorrichtung von Beispiel Nr. 4. In der Abgasreinigungsvorrichtung ist ein Temperatursensor 5, der die Abgastemperaturen erfasst, zwischen dem Dieselmotor 1 und der PM-Einfang- und -Verbrennungsvorrichtung 2 angeordnet, die mit derjenigen des Beispiels Nr. 3 identisch ist. Darüber hinaus ist auf einer stromabwärts liegenden Seite bezogen auf die PM-Einfang- und -Verbrennungsvorrichtung 2 eine zweite Entladungsvorrichtung 6 angeordnet, die ein Plasma in den Abgasen erzeugt. Darüber hinaus ist auf einer stromabwärts liegenden Seite bezogen auf die zweite Entladungsvorrichtung 6 ein 3-Wege-Katalysator 7 angeordnet. An die zweite Entladungsvorrichtung 6 legt die Hochspannungserzeugungsvorrichtung 3 eine Wechselhochspannung an. Die anderen Merkmale sind mit denjenigen des Beispiels Nr. 3 identisch.
Nachstehend wird, während unter Bezugnahme auf das in der 12 gezeigte Fließdiagramm beschrieben wird, wie die Steuervorrichtung 4 die Abgasreinigungsvorrichtung von Beispiel Nr. 4 steuert, der Betrieb der Abgasreinigungsvorrichtung von Beispiel Nr. 4 detailliert beschrieben. Es sollte beachtet werden, dass in der folgenden Beschreibung die Spannung, welche die Hochspannungserzeugungsvorrichtung 3 an den Kupferdraht 25 anlegt, als „Aufladungsgleichspannung" bezeichnet wird, die Spannung, welche die Hochspannungserzeugungsvorrichtung 3 an die scheibenförmigen Rippen 24 anlegt, als „PM-Entfernungswechselspannung" bezeichnet wird und die Spannung, welche die Hochspannungserzeugungsvorrichtung 3 an die zweite Entladungsvorrichtung 6 anlegt, als „zweite Entladungswechselspannung" bezeichnet wird.
Wenn der Dieselmotor 1 gestartet wird, werden im Schritt 400 zuerst die folgenden Daten abgefragt: die gegenwärtige PM-Abscheidung X, die kritische Abscheidung A, ein vorgegebener Wert C bezüglich der PM-Erzeugung und ein vorgegebener Wert D bezüglich des NO_x-Gehalts, die in dem Speicher der Steuervorrichtung 4 aufgezeichnet sind.
Anschließend liefert der Temperatursensor 5 im Schritt 401 die Abgastemperatur T. Gleichzeitig werden die Betriebszustände des Dieselmotors 1 erfasst. Die Betriebszustände werden bei vier Stufen erfasst, d. h. bei der Beschleunigung, bei der Verlangsamung, bei normalem Fahren und im Leerlauf.
Dann werden im Schritt 402 die PM-Menge Y und die NO_x-Menge N in dem gegenwärtigen Abgas aus der Motordrehzahl des Dieselmotors 1 und dessen Last berechnet. Im Schritt 403 wird die PM-Abscheidung X aktualisiert. Danach werden der Schritt 404 und der Schritt 405 parallel durchgeführt.
Im Schritt 404 steuert die Steuervorrichtung 4 auf der Basis eines Kennfelds (vgl. die nachstehende Tabelle 1), das in dem Speicher der Steuervorrichtung 4 aufgezeichnet ist, das Ein- oder Ausschalten der Aufladungsgleichspannung, der PM-Entfernungswechselspannung und der zweiten Entladungswechselspannung bei der gegenwärtigen Abgastemperatur T. Dabei ist die Aufladungsgleichspannung immer eingeschaltet und dadurch werden die PM in dem Abgas durch elektrostatische Kräfte auf dem Einfangabschnitt 20 eingefangen. Wenn die Abgastemperatur T weniger als 250°C beträgt, wird, da die Temperatur des Katalysators des geschmolzenen Salz-Typs, der auf dem Einfangabschnitt 20 aufgebracht ist, unter der Aktivierungstemperatur Tc liegt, die PM-Entfernungswechselspannung eingeschaltet, wodurch die eingefangenen PM durch das durch die elektrische Entladung erzeugte Plasma verbrannt und entfernt werden. Darüber hinaus wird, da der 3-Wege-Katalysator 7 nicht aktiviert ist, auch die zweite Entladungswechselspannung eingeschaltet, wodurch die HC und NO_x in dem Abgas durch das sekundäre, durch eine elektrische Entladung erzeugte Plasma entfernt werden.
Wenn darüber hinaus die Abgastemperatur T 250 bis 300°C beträgt, wird die zweite Entladungswechselspannung zur Elektrizitätseinsparung ausgeschaltet, da der 3-Wege-Katalysator 7 aktiviert ist. In dem Temperaturbereich ist der Katalysator des geschmolzenen Salz-Typs in dem Einfangabschnitt 20 jedoch nicht vollständig aktiviert und die PM-Entfernungswechselspannung bleibt eingeschaltet. Ferner ist dann, wenn die Abgastemperatur T 300°C oder mehr beträgt, der Katalysator des geschmolzenen Salz-Typs in dem Einfangabschnitt 20 ebenfalls vollständig aktiviert, so dass die PM-Entfernungswechselspannung zur Elektrizitätseinsparung ausgeschaltet wird.
Tabelle 1
Dann steuert die Steuervorrichtung 4 im Schritt 405 auf der Basis eines Kennfelds (vgl. die nachstehende Tabelle 2), das in dem Speicher der Steuervorrichtung 4 aufgezeichnet ist, das Einschalten oder Ausschalten der Aufladungsgleichspannung, der PM-Entfernungswechselspannung und der zweiten Entladungswechselspannung gemäß den Betriebszuständen des Dieselmotors 1.
Beim Beschleunigen werden die Aufladungsgleichspannung, die PM-Entfernungswechselspannung und die zweite Entladungswechselspannung eingeschaltet, da die PM, die HC und die NO_x reichlich in dem Abgas vorhanden sind. Wenn eine Verlangsamung eintritt, wird die Aufladungsgleichspannung eingeschaltet, um den Ölnebel einzufangen, usw. Dann wird die PM-Abscheidung X mit der kritischen Abscheidung A verglichen. Wenn X > A, wird die PM-Entfernungswechselspannung eingeschaltet, so dass die abgeschiedenen PM durch das durch eine elektrische Entladung erzeugte Plasma verbrannt und entfernt werden. Da in diesem Fall die HC und NO_x in einem geringeren Ausmaß in dem Abgas vorliegen, wird die zweite Entladungswechselspannung ausgeschaltet.
Beim normalen Fahren wird die Aufladungsgleichspannung eingeschaltet, um den Ölnebel einzufangen, usw. Dann wird die PM-Menge Y mit dem vorgegebenen Wert C verglichen. Wenn Y > C, wird die PM-Entfernungswechselspannung eingeschaltet, so dass die abgeschiedenen PM durch das durch eine elektrische Entladung erzeugte Plasma verbrannt und entfernt werden. Wenn Y ≤ C, wird die PM-Abscheidung X mit der kritischen Abscheidung A verglichen. Dann wird der Prozess entsprechend dem Prozess bei der Verlangsamung durchgeführt. Andererseits wird die NO_x-Menge N auch mit dem vorgegebenen Wert D verglichen. Wenn N > D, wird die zweite Entladungswechselspannung eingeschaltet, um bei der Entfernung der HC und NO_x in dem Abgas durch das durch eine elektrische Entladung erzeugte Plasma zu unterstützen. Wenn jedoch N ≤ D, wird die zweite Entladungswechselspannung zur Elektrizitätseinsparung abgeschaltet, da es möglich ist, die HC und NO_x mit dem 3-Wege-Katalysator 7 allein zu entfernen.
Im Leerlauf wird die Aufladungsgleichspannung eingeschaltet, um den Ölnebel einzufangen, usw. Darüber hinaus wird die PM-Abscheidung X mit der kritischen Abscheidung A verglichen. Dann wird der Prozess entsprechend dem Prozess bei der Verlangsamung durchgeführt. Darüber hinaus wird die NO_x-Menge N auch mit dem vorgegebenen Wert D verglichen. Dann wird der Prozess entsprechend dem Prozess beim normalen Fahren durchgeführt.
Tabelle 2
In dem folgenden Schritt 406 nutzt die Steuervorrichtung 4 die im Schritt 404 und im Schritt 405 gefundenen Ergebnisse. Dann steuert die Steuervorrichtung 4 die Aufladungsgleichspannung, die PM-Entfernungswechselspannung oder die zweite Entladungswechselspannung, die mindestens bei einem der Schritte 404 und 405 ausgeschaltet worden ist, derart, dass sie ausgeschaltet wird, und die verbleibende Aufladungsgleichspannung, PM-Entfernungswechselspannung oder zweite Entladungswechselspannung derart, dass sie eingeschaltet wird.
Dann beurteilt die Steuervorrichtung 4 im Schritt 407, ob die PM-Entfernungswechselspannung eingeschaltet ist oder nicht. Wenn die PM-Entfernungswechselspannung eingeschaltet ist, wird die PM-Abscheidung X durch Vermindern der PM-Abscheidung gemäß der Zeit, die für die elektrische Entladung erforderlich ist, aktualisiert. Danach kehrt der Prozess zu dem Schritt 401 zurück.
Daher ist es bei der Abgasreinigungsvorrichtung des Beispiels Nr. 4 möglich, die Hochspannungserzeugungsvorrichtung 3 entsprechend der Abgastemperatur T sowie entsprechend der Betriebszustände des Dieselmotors 1 genau zu steuern. Als Folge davon ist es möglich, den Elektrizitätsverbrauch zu vermindern, während die PM effizient entfernt werden.
Die 13 veranschaulicht den Vorteil, der durch die Abgasreinigungsvorrichtung des Beispiels Nr. 4 bewirkt wird. In der 13 ist der Elektrizitätsverbrauch der Hochspannungserzeugungsvorrichtung 3 auf der vertikalen Achse und die Abgastemperatur auf der horizontalen Achse aufgetragen. Es sollte beachtet werden, dass die 13 den Elektrizitätsverbrauch beim normalen Fahren veranschaulicht. Wenn die Steuervorrichtung 4 die Hochspannungserzeugungsvorrichtung 3 so steuerte, dass die Aufladungsgleichspannung, die PM-Entfernungswechselspannung und die zweite Entladungswechselspannung immer eingeschaltet werden, wie es durch die gestrichelte Linie von 13 gezeigt ist, war es schwierig, den Elektrizitätsverbrauch entsprechend der Abgastemperatur zu vermindern. Im Gegensatz dazu war es durch die Abgasreinigungsvorrichtung des Beispiels Nr. 4 möglich, den Elektrizitätsverbrauch an Schwellengrenzpunkten, d. h. bei 250°C und 300°C schrittweise zu vermindern. Da darüber hinaus bei 300°C oder mehr nur die Aufladungsgleichspannung eingeschaltet wurde, war es möglich, den Elektrizitätsverbrauch stark zu vermindern.
Nachdem die vorliegende Erfindung vollständig beschrieben worden ist, ist es dem Fachmann klar, dass viele Änderungen und Modifizierungen der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden können, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung gemäß der vorliegenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen abzuweichen.
Es wird ausdrücklich betont, dass alle Merkmale, die in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbart sind, sowohl für den Zweck der ursprünglichen Offenbarung als auch für den Zweck der Beschränkung der beanspruchten Erfindung getrennt und unabhängig voneinander offenbart sind, und zwar unabhängig von der Zusammensetzung der Merkmale in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen. Es wird ausdrücklich betont, dass sowohl für den Zweck der ursprünglichen Offenbarung als auch für den Zweck der Beschränkung der beanspruchten Erfindung alle Wertebereiche oder Angaben von Gruppen von Einheiten jede(n) mögliche(n) Zwischenwert oder Zwischeneinheit offenbaren.

Claims

Eine Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen, die teilchenförmige Materialien enthalten und von einem Verbrennungsmotor emittiert werden, wobei die Vorrichtung eine Aufladungseinrichtung (3, 21, 25), die zum Aufladen der teilchenförmigen Materialien angepasst ist, eine Einfangeinrichtung (2, 20), die zum Einfangen aufgeladener teilchenförmiger Materialien durch Absorbieren der aufgeladenen teilchenförmigen Materialien unter Verwendung einer elektrostatischen Kraft angepasst ist, wobei die Einfangeinrichtung einen ersten Katalysator mit mindestens einer Oxidationsaktivität umfasst, und eine erste Entladungseinrichtung (3, 6, 21, 24) umfasst, die angepasst ist, die teilchenförmigen Materialien, die auf der Einfangeinrichtung eingefangen worden sind, zu oxidieren, wobei die erste Entladungseinrichtung so aufgebaut ist, dass sie eine elektrische Plasmaentladung erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator einen Katalysator des geschmolzenen Salz-Typs umfasst, der bei einer vorgegebenen Temperatur schmilzt und eingefangene teilchenförmige Materialien oxidiert und verbrennt, wobei der Katalysator des geschmolzenen Salz-Typs eine auf einem festen Träger aufgebrachte katalytische Komponente umfasst.
Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, bei welcher der feste Träger mindestens ein Mitglied umfasst, das aus der Gruppe bestehend aus Oxiden von Alkalimetallen, Oxiden von Erdalkalimetallen und Oxiden von Seltenerdmetallen ausgewählt ist.
Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, bei der die katalytische Komponente ferner eine oxidationsbeschleunigende Komponente umfasst, die aus Oxiden von Vanadium und Oxiden von Erdalkalimetallen ausgewählt ist.
Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher der erste Katalysator einen sauerstofffreisetzenden Katalysator umfasst, der aus Ceroxid und Ceroxid-Zirkoniumoxid-Mischoxiden ausgewählt ist.
Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher der erste Katalysator ein Edelmetall umfasst, das als NO₂-erzeugender Katalysator dient und aus Pt, Pd, Rh und Ir ausgewählt ist, wobei das Edelmetall auf dem festen Träger aufgebracht ist, wobei der feste Träger porös und aus Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid zusammengesetzt ist.
Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die ferner einen zweiten Katalysator umfasst, der auf mindestens einer von einer stromaufwärts liegenden Seite und einer stromabwärts liegenden Seite der Einfangeinrichtung (2, 20) angeordnet ist und mindestens ein Mitglied umfasst, das aus der Gruppe bestehend aus Oxidationskatalysatoren, 3-Wege-Katalysatoren, NO_x-reduzierenden Katalysatoren und Katalysatoren des NO_x-Speicher-und-Reduktions-Typs ausgewählt ist.
Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die ferner eine zweite Entladungseinrichtung (6) umfasst, die auf einer stromabwärts liegenden Seite der Einfangeinrichtung (2, 20) angeordnet ist, wobei die zweite Entladungseinrichtung eine elektrische Entladung zur Entfernung schädlicher Komponenten erzeugt, die in den von der Einfangeinrichtung abgegebenen Gasen enthalten sind.
Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, die ferner einen zweiten Katalysator umfasst, der auf mindestens einer von einer stromaufwärts liegenden Seite und einer stromabwärts liegenden Seite der zweiten Entladungseinrichtung (6) angeordnet ist und mindestens ein Mitglied umfasst, das aus der Gruppe bestehend aus Oxidationskatalysatoren, 3-Wege-Katalysatoren, NO_x-reduzierenden Katalysatoren und Katalysatoren des NO_x-Speicher-und-Reduktions-Typs ausgewählt ist.
Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welcher der erste Katalysator ferner mindestens ein Mitglied umfasst, das aus der Gruppe bestehend aus NO₂-erzeugenden Katalysatoren und sauerstofffreisetzenden Katalysatoren ausgewählt ist.
Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die ferner einen Temperatursensor (5) umfasst, der angepasst ist, mindestens eine von der Temperatur der Abgase, die in die Einfangeinrichtung (2, 20) strömen und der Temperatur der Einfangeinrichtung zu erfassen, wobei die erste Entladungseinrichtung (3, 6, 21, 24) angepasst ist, betätigt zu werden, wenn eine der Temperaturen unter einem vorgegebenen Wert liegt.
Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Temperatur der Abgase, die in die Einfangeinrichtung (2, 20) strömen, abgeschätzt wird, und die erste Entladungseinrichtung (3, 6, 21, 24) angepasst ist, betätigt zu werden, wenn die abgeschätzte Temperatur unter einem vorgegebenen Wert liegt.
Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die ferner einen PM-Sensor umfasst, der angepasst ist, eine eingefangene Menge der teilchenförmigen Materialien, die auf der Einfangeinrichtung (2, 20) eingefangen worden sind, zu erfassen, wobei die erste Entladungseinrichtung (3, 6, 21, 24) angepasst ist, betätigt zu werden, wenn die eingefangene Menge einen vorgegebenen Wert übersteigt.
Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welcher der Gehalt der teilchenförmigen Materialien in den Abgasen auf der Basis der Betriebszustände des Verbrennungsmotors abgeschätzt wird und mindestens eine von der Aufladungseinrichtung (3, 21, 25) und der Entladungseinrichtung (3, 6, 21, 24) angepasst ist, betätigt zu werden, wenn der Gehalt einen vorgegebenen Wert übersteigt.
Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die katalytische Komponente mindestens eine Verbindung umfasst, die aus der Gruppe bestehend aus Silbernitrat, Nitraten von Alkalimetallen, Nitraten von Erdalkalimetallen und Nitraten von Seltenerdelementen ausgewählt ist.
Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen für einen Verbrennungsmotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher der Katalysator des geschmolzenen Salz-Typs bei 300°C oder weniger schmilzt.
Ein Verfahren zum Reinigen von Abgasen, die teilchenförmige Materialien enthalten und von einem Verbrennungsmotor emittiert werden, wobei das Verfahren das Aufladen der teilchenförmigen Materialien unter Verwendung einer Aufladungseinrichtung (3, 21, 25), das Einfangen aufgeladener teilchenförmiger Materialien in einer Einfangeinrichtung (2, 20) durch Ausüben einer elektrostatischen Kraft, das Oxidieren und Verbrennen eingefangener teilchenförmiger Materialien durch In-Kontakt-Bringen der eingefangenen teilchenförmigen Materialien mit einer Oxidationskatalysatorzusammensetzung und das Erzeugen einer elektrischen Plasmaentladung unter Verwendung einer Entladungseinrichtung (3, 6, 21, 24) um fasst, so dass eingefangene teilchenförmige Materialien weiter oxidiert und verbrannt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidationskatalysatorzusammensetzung einen Katalysator des geschmolzenen Salz-Typs umfasst, der bei einer vorgegebenen Temperatur schmilzt, wobei der Katalysator des geschmolzenen Salz-Typs eine auf einem festen Träger aufgebrachte katalytische Komponente umfasst.