DE69418168T2

DE69418168T2 - Abgasreinigung

Info

Publication number: DE69418168T2
Application number: DE69418168T
Authority: DE
Inventors: Fumio Abe; Takashi Harada; Masato Ogawa
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1993-12-28
Filing date: 1994-12-23
Publication date: 1999-09-23
Anticipated expiration: 2014-12-24
Also published as: EP0820810B1; DE69430329D1; DE69430329T2; CA2139089C; CA2139089A1; US5538697A; DE69418168D1; JPH07232084A; EP0661098B1; EP0820810A1; EP0661098A3; EP0661098A2; JP3526084B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Adsorbens-Katalysator und ein System zur Abgasreinigung sowie ein Verfahren zur Abgasreinigung. Die Erfindung betrifft die Reinigung schädlicher, im Abgas vorhandener Substanzen, insbesondere von Kohlenwasserstoffen (HC) und dergleichen, die beim Kaltstart eines Motors in großen Mengen erzeugt werden.
Im FTP-Test (LA-4-Modus), der aufgrund der verschärften Abgasvorschriften in den Vereinigten Staaten durchgeführt wird, werden 70-80% der gesamten HC-Emissionsmenge beim Kaltstart eines Motors nach dessen Anlassen innerhalb von 140 Sekunden ausgestoßen (innerhalb des ersten Anstiegs von Bag 1). Während dieses Zeitraums dauert es jedoch lange, bis der herkömmliche Dreiweg-Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht, weshalb ein Großteil der HC ungereinigt ausgestoßen wird.
Um dieses Problem zu lösen, wurden Verfahren vorgeschlagen, bei denen ein elektrisch beheizter Katalysator (nachstehend als EHC bezeichnet) und/oder ein Adsorbens, das als Haupt-Wirkkomponente Zeolith umfaßt, im Auspuff angeordnet wird.
Beispielsweise offenbart die JP-A-31359/1993 (EP-A-04851) einen katalytischen Konverter zur Autoabgasreinigung, in dem die drei Elemente EHC, Adsorbens und Hauptkatalysator in beliebiger Reihenfolge hintereinander im Abgasströmungsweg angeordnet sind.
SAE Paper Nr. 920847 schlägt ein Umleitungssystem dar, in dem ein Ventil an der stromaufwärtigen Seite eines Adsorbens angeordnet ist, um die an das Adsorbens adsorbierten HC zu desorbieren, nachdem der Katalysator ausreichend aktiviert wurde.
Die JP-A-31359/1993 erwähnt jedoch keine optimale Anordnung der obigen drei Elemente, um die Emissionen beim Kaltstart zu reduzieren, und berücksichtigt auch nicht die Minimierung des dem EHC zugeführten elektrischen Stroms.
Das Verfahren, bei dem ein Umleitungssystem zum Einsatz kommt (siehe SEA Paper Nr. 920847), ist hinsichtlich der Reinigungsleistung zufriedenstellend, ist aber in der praktischen Anwendung mit zahlreichen Problemen verbunden. Dieses System ist daher kompliziert, und das Ventil im Auspuff besitzt eine geringe Hitzebeständigkeit.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die obigen Probleme bekannter Verfahren zu lösen.
Das Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Adsorbens-Katalysators, eines Adsorbens, eines Systems und eines Verfahrens zur Abgasreinigung, die alle dazu dienen, die im Abgas vorhandenen schädlichen Substanzen, insbesondere die HC und dergleichen, die beim Kaltstart des Motors in großen Mengen entstehen, wirksam zu reinigen, vorzugsweise ohne Verwendung eines komplexen Systems, wie z. B. des obigen Umleitungssystems oder dergleichen.
Gemäß der Erfindung wird ein Adsorbens-Katalysator zur Abgasreinigung wie in Anspruch 1 beschrieben bereitgestellt.
Die Erfindung stellt ferner ein im Auspuff angeordnetes System zur Abgasreinigung bereit, umfassend:
zumindest einen erfindungsgemäßen Adsorbens-Katalysator und
einen Katalysator, der eine Wabenstruktur und eine darauf getragene Katalysatorschicht umfaßt und in Strömungsrichtung des zu reinigenden Abgases an der stromabwärtigen Seite des Adsorbens-Katalysators angeordnet ist.
Die Erfindung bietet weiters ein Verfahren zur Abgasreinigung durch Verwendung des oben beschriebenen Systems, umfassend das Adsorbierenlassen des Abgases, insbesondere der Kohlenwasserstoff-Komponenten usw., die beim Kaltstart eines Verbrennungsmotors erzeugt werden, durch die Adsorbensschicht des Adsorbens-Katalysators oder das System-Adsorbens; das Desorbieren der adsorbierten Komponenten von der Adsor bensschicht, wenn sich die Temperatur der Adsorbensschicht durch das Abgas erhöht; die Zufuhr eines oxidierenden Gases zum Abgas oder das Einstellen des Verhältnisses der Mengen der Luft für die Verbrennung und der Teibstoffzufuhr für eine Zeitspanne zwischen Adsorption und Desorption, um einen Sauerstoff-Überschuß im Abgas zu erzeugen und die desorbierten Kohlenwasserstoffe usw. auf der Katalysatorschicht des Adsorbens-Katalysators oder System-Katalysators zu verbrennen.
In der Erfindung bezieht sich die Wabenstruktur auf eine Struktur mit einer hohen Anzahl paralleler, durch Trennwände voneinander getrennter Durchgänge und umfaßt sogar eine flache Plattenstruktur.
In den Abbildungen
sind die Fig. 1-7 jeweils Ansichten eines Beispiels für einen erfindungsgemäßen Adsorbens-Katalysator;
sind die Fig. 8-10 jeweils Ansichten eines Beispiels für das erfindungsgemäße Adsorbens;
sind die Fig. 11-22 jeweils Beispiele für das erfindungsgemäße Abgasreinigungssystem;
ist die Fig. 23 eine Ansicht eines Beispiels für das in der Erfindung verwendete elektrische Heizelement.
Es folgt zunächst eine Beschreibung des Grundprinzips der Erfindung.
Wenn ein Adsorbens und ein Katalysator im Auspuffrohr angeordnet sind, wobei das Adsorbens in Strömungsrichtung des Abgases an der stromaufwärtigen Seite des Katalysators positioniert ist, wird beim Kaltstart des Motors zunächst das Adsorbens durch das Abgas erhitzt und dann der Katalysator erhitzt; daher erfolgt die Temperaturerhöhung des Adsorbens immer früher als jene des Katalysators. Wenn demnach die Adsorbensschicht des Adsorbens zufriedenstellend HC adsorbiert und beginnt, die adsorbierten HC zu desorbieren (die Adsorbens-Temperatur beträgt zu diesem Zeitpunkt etwa 80- 100ºC), hat der Katalysator an der stromabwärtigen Seite des Adsorbens noch nicht seine Zündtemperatur (weniger als 100ºC) erreicht, und die vom Adsorbens desorbierten HC werden ungereinigt aus dem Auspuffrohr ausgestoßen. Selbst wenn die Adsorbensschicht des Adsorbens eine Katalysator-Komponente enthält, ist der Wirkungsgrad der HC-Reinigung unzulänglich. In der vorliegenden Erfindung wird jedoch ein Adsorbens-Katalysator verwendet, wodurch der Katalysator an der stromabwärtigen Seite des Adsorbens-Katalysators oder Adsorbens rasch erhitzt werden kann und die vom Adsorbens-Katalysator oder Adsorbens desorbierten HC wirksam gereinigt werden können.
Es folgt eine Beschreibung von Anordnungen der Erfindung, in denen der Adsorbens- Katalysator zum Einsatz kommt. Im Leerlauf des Motors beim Start, wenn HC in der größten Menge erzeugt werden, ist die Durchflußmenge des Abgases gering, und das Abgas strömt relativ einheitlich in die Frontfläche des Adsorbens-Katalysators ein; in der Folge wird ein großer Teil der im Abgas vorhandenen HC an den Adsorbensschicht- Abschnitt (nachstehend als Adsorbensabschnitt) des Adsorbens-Katalysators adsorbiert. Während der folgenden Beschleunigungsphase ist die Menge des erzeugten Abgases groß. Damit ein großer Anteil des Abgases während dieser Beschleunigungsphase durch den Katalysatorschicht-Abschnitt (nachstehend als Katalysatorabschnitt) des Adsorbens- Katalysators hindurchströmen kann, ist es vorzuziehen, eine geeignete Rohrstruktur zu verwenden oder eine zweckentsprechende Führung für die Abgasströmung knapp vor oder nach dem Adsorbens-Katalysator vorzusehen.
Es kann dafür gesorgt werden, daß die Länge zumindest eines Teils des Katalysatorabschnitts in Strömungsrichtung des Abgases kleiner ist als jene des Adsorbensabschnitts in der gleichen Richtung. Außerdem kann dafür gesorgt werden, daß die offene Frontfläche zumindest eines Teils des Katalysatorabschnitts größer als jene des Adsorbensabschnitts ist. Die offene Frontfläche ist hierin der Anteil der gesamten Querschnittsfläche der durch die Trennwände getrennten Durchgänge, d. h. die gesamte gasdurchlässige Fläche der Querschnittsfläche der Wabenstruktur. Um den Temperaturanstieg der Adsorbensschicht zu verlangsamen (d. h. den Zeitpunkt des Beginns der HC-Desorption hinauszuzögern), kann mittels eines beliebigen geeigneten Verfahrens dafür gesorgt werden, daß die Wärmekapazität des Adsorbensabschnitts größer ist als jene des Katalysatorabschnitts.
Durch Anwendung zumindest eines dieser Verfahren wird der Adsorbensabschnitt des Adsorbens-Katalysators weniger wahrscheinlich vom Abgas erhitzt oder besitzt eine Struktur, die gegenüber Temperaturanstiegen weniger anfällig ist (selbst in der Motor-Beschleunigungsphase); der Adsorptionsabschnitt kann daher über einen bestimmten Zeitraum die Adsorption von HC fortsetzen, bis die Desorption der adsorbierten HC beginnt.
Der Katalysatorabschnitt des Adsorbens-Katalysators wird durch die obigen Vorgangsweisen rasch erhitzt; er wird zu einem frühen Zeitraum gezündet und erzeugt viel Reaktionswärme. Diese Reaktionswärme zündet den an der stromabwärtigen Seite des Adsorbens-Katalysators angeordneten Katalysator durch Wärmekonvektion und -leitung in zuverlässiger Weise. Der Temperaturanstieg des Adsorbensabschnitts des Adsorbens- Katalysators wird also minimiert, und der Temperaturanstieg des Katalysatorabschnitts und des stromabwärtigen Katalysators erfolgt rasch, wodurch die vom Adsorbensabschnitt desorbierten HC zumindest durch den stromabwärtigen Katalysator, der sich bereits im Zündstadium befindet, gereinigt werden.
Es ist wünschenswert, daß der stromabwärtigen Katalysator eine Temperatur von 150ºC oder mehr, vorzugsweise 250ºC oder mehr, aufweist, wenn die HC-Desorption beginnt.
Wenn Sauerstoffmangel zur Reinigung der desorbierten HC herrscht, wird Sekundärluft zugeführt oder das Verhältnis zwischen Verbrennungsluft und Treibstoffzufuhr eingestellt.
Das Material der Wabenstruktur kann Metall sein, ist jedoch vorzugsweise ein Keramikmaterial, insbesondere poröser Cordierit, da dieser geringe Leitfähigkeit aufweist und für geringe Wärmeleitung vom Katalysatorabschnitt zum Adsorbensabschnitt sorgt, was den raschen Temperaturanstieg des Adsorbensabschnitt verhindert und den Zeitpunkt der Desorption der adsorbierten HC hinauszögert.
In der vorliegenden Erfindung werden die folgenden Adsorbens-Katalysatoren und Systeme verwendet.

Adsorbens-Katalysator

Im erfindungsgemäßen Adsorbens-Katalysators ist es vorzuziehen, daß die Wabenstruktur einen kreisrunden Querschnitt aufweist (im rechten Winkel zur Strömungsrichtung des zu reinigenden Abgases) und in einer zylindrischen Form ausgebildet ist, die sich parallel zur Strömungsrichtung erstreckt, daß die Katalysatorschicht auf dem zylindrischen Innenabschnitt der zylindrischen Wabenstruktur getragen wird, welche die gleiche Achse aufweist wie die Wabenstruktur, und daß die Absorbensschicht auf dem verbleibenden Abschnitt der Wabenstruktur um den zylindrischen Innenabschnitt getragen wird. Es ist ferner hinsichtlich der frühen Zündung des Katalysators an der stromabwärtigen Seite des Adsorbens-Katalysators vorzuziehen, daß die Querschnittsfläche des Katalysatorabschnitts 5-80% der Querschnittsfläche der Wabenstruktur ausmacht. Diese Querschnittsfläche (5-80%) des Katalysatorabschnitts ist auch dann vorzuziehen, wenn die Querschnittsformen der Wabenstruktur und des Katalysatorabschnitts nicht kreisrund sind. Wenn die Querschnittsfläche des Katalysatorabschnitts weniger als 5% der Querschnittsfläche der Wabenstruktur ausmacht, erzeugt der Katalysatorabschnitt eine geringe Menge an Reaktionswärme im Falle früher Zündung, und der Temperaturanstieg des stromabwärtigen Katalysators ist unzulänglich. Wenn die Querschnittsfläche des Katalysatorabschnitts 80% übersteigt, besitzt der Adsorbensabschnitt geringes Adsorptionsvermögen.
Um die Temperaturdifferenz zwischen dem Adsorbensabschnitt und dem Katalysatorabschnitt zu steigern, ist es vorzuziehen, mittels verschiedener Verfahren dafür zu sorgen, daß der Adsorbensabschnitt eine höhere Wärmekapazität aufweist als der Katalysatorabschnitt; dies erfolgt beispielsweise (1) durch Erhöhen der Wandstärke der Wabenstruktur im Adsorbensabschnitt, (2) Erhöhen der Zelldichte der Wabenstruktur im Adsorbensabschnitt, (3) Verringern der Porosität der Wabenstruktur im Adsorbensabschnitt, (4) Verwenden eines Materials (z. B. eines Metalls) höherer Wärmekapazität für den Adsorptionsabschnitt der Wabenstruktur und (5) Tragen einer größeren Menge der Adsorbensschicht auf dem Adsorbensabschnitt. Das Gegenteil trifft auf den Katalysatorabschnitt zu, wobei verschiedene Verfahren zur Anwendung kommen, damit der Katalysator eine geringere Wärmekapazität besitzt als der Adsorptionsabschnitt. Besonders bevorzugte Verfahren sind: (1) Verringern der Wandstärke der Wabenstruktur im Katalysatorabschnitt, (2) Verringern der Zelldichte der Wabenstruktur im Katalysatorabschnitt und (3) Tragen einer geringeren Menge der Katalysatorschicht auf dem Katalysatorabschnitt. Diese Verfahren ermöglichen, daß der Katalysatorabschnitt eine größere offene Frontfläche und demnach geringere Wärmekapazität und niedrigeren Druckverlust aufweist.
Ferner ist es vorzuziehen, die Länge zumindest eines Teils des Katalysatorabschnitts in Strömungsrichtung des zu reinigenden Abgases gegenüber der Länge des Adsorptionsabschnitts in gleicher Richtung zu verkürzen. Dadurch wird die Wärmekapazität des Katalysators gesenkt, der Druckverlust des Katalysatorabschnitts wird verringert, eine größere Menge an Abgas gelangt während der Motorbeschleunigung durch den Katalysatorabschnitt, und der Katalysatorabschnitt wird zu einem frühen Zeitpunkt gezündet. Eine derartige Struktur mit einem Katalysatorabschnitt geringer Länge kann erhalten werden, indem eine Katalysatorschicht nur auf einem Teil des Wabenstrukturabschnitts mit Ausnahme des Adsorbensabschnitts getragen wird, der sich in Strömungsrichtung des Abgases erstreckt. Eine derartige Struktur kann auch - wie in Fig. 3a (einer perspektivischen Ansicht) und Fig. 3b (einer Querschnittsansicht) gezeigt - besonders bevorzugt durch Entfernen und Aushöhlen eines Teils einer Wabenstruktur 15 erhalten werden, um die Länge des Katalysatorabschnitts 16 in Strömungsrichtung des Abgases gegenüber der Länge des Adsorbensabschnitts 17 in der gleichen Richtung zu verkürzen.
Der Adsorbensabschnitt kann einen Katalysator, z. B. einen Katalysator, enthalten, sofern ein Nicht-Adsorbens-Katalysatorabschnitt vorhanden ist.
Im Adsorbens-Katalysator der Erfindung können der Katalysatorabschnitt und der Adsorbensabschnitt so angeordnet sein, daß keiner vom anderen umgeben ist, oder es können der Katalysatorabschnitt und/oder der Adsorbensabschnitt an zwei oder mehreren Stellen positioniert sein. Ferner ist es möglich, daß das vordere Ende (Gaseinlaß) oder das hintere Ende (Gasauslaß) des Adsorbens-Katalysators oder ein Teil des Querschnitts des Adsorbens-Katalysators im rechten Winkel zur Strömungsrichtung des Abgases zur Gänze oder teilweise ein Adsorbensabschnitt oder ein Katalysatorabschnitt ist und daß der Adsorbensabschnitt oder der Katalysatorabschnitt in Strömungsrichtung des Abgases nicht kontinuierlich vom vorderen Ende (Gaseinlaß) zum hinteren Ende (Gasauslaß) des Adsorbens-Katalysators verläuft.

System

In der Abgasströmung sind der Adsorbens-Katalysator der Erfindung und ein Katalysator vorhanden, wobei der Katalysator an der stromabwärtigen Seite des Adsorbens-Katalysators angeordnet ist, um die vom Adsorbensabschnitt des Adsorbens-Katalysator desorbierten HC zu reinigen. Vorzugsweise ist ferner ein Katalysator an der stromaufwärtigen Seite des Adsorbens-Katalysators zwecks früher Zündung angeordnet. Es wird besonders bevorzugt, wenn die Systemkonstruktion solcherart ist, daß die im stromaufwärtigen Katalysator erzeugte Reaktionswärme rasch zum Katalysatorabschnitt des Adsorbens- Katalysators geführt werden kann. Diese Katalysatoren umfassen jeweils eine Wabenstruktur und eine darauf getragene Katalysatorschicht. Vorzugsweise ist ein elektrisches Heizelement oder ein EHC zwischen dem Adsorbens-Katalysator und dem stromaufwärtigen und/oder stromabwärtigen Katalysator und/oder an der weiter stromaufwärtigen Seite des stromaufwärtigen Katalysators vorhanden, da dies die gesteuerte Desorption der HC vom Adsorbensabschnitt des Adsorbens-Katalysators sowie die frühe Zündung des Katalysatorabschnitts des Adsorbens-Katalysators und/oder des Katalysators bzw. der Katalysatoren ermöglicht. Die Systemkonstruktion kann auch solcherart sein, daß ein Auspuffrohr einer bestimmten Form oder Struktur, eine Ablenkplatte, eine Führung für die Abgasströmung oder dergleichen vorhanden ist, um während der Motorbeschleunigung Abgas unregelmäßig durch den Adsorbens-Katalysator zu leiten, damit eine größere Abgasmenge durch den Katalysatorabschnitt strömt als durch den Adsorbensabschnitt und frühe Zündung des Katalysatorabschnitts erzielt wird.
Weiters ist es vorzuziehen, ein System zu konstruieren, in dem ein Adsorbens mit inaktivem Durchblas-Abschnitt (unten beschrieben) und dem Adsorbens-Katalysator der Erfindung nacheinander in der Abgasströmung positioniert sind, um als einzelner Adsorbens-Katalysator zu dienen. In diesem Fall muß an der stromabwärtigen Seite der Kombination aus Adsorbens und Adsorbens-Katalysator ein Katalysator zur Reinigung der vom Adsorbens desorbierten HC vorhanden sein; vorzugsweise ist auch an der stromaufwärtigen Seite des Adsorbens ein Katalysator angeordnet.
Das Adsorbens mit inaktivem Durchblas-Abschnitt besitzt eine Wabenstruktur und ein Adsorbens für auf der Wabe getragene HC. Ein inaktiver Durchblas-Abschnitt in der Wabe ermöglicht das Hindurchströmen von Abgas ohne Kontakt mit Adsorbens (oder Katalysator). Dieser Durchblas-Abschnitt erstreckt sich über die volle Länge der Wabe in Strömungsrichtung und kann ein Teil der Wabe sein, der weder ein Adsorbens noch einen Katalysator trägt, vorzugsweise jedoch eine durch die Wabe parallel zur Gas Strömungsrichtung ausgebildete Öffnung. Es kann in unterschiedlichen Bereichen des Querschnitts der Wabe zwei oder mehr derartige Durchblas-Abschnitte geben. Vorzugsweise macht der Durchblas-Abschnitt weniger als 50% der Querschnittfläche der Wabe aus.
In jedem System kann mehr als ein Adsorbens-Katalysator oder Adsorbens mit inaktivem Durchblas-Abschnitt vorhanden sein.
Um eine verbesserte Reinigungsleistung im gesamten FRP-Test zu erzielen, wird bevorzugt, einen Katalysator mit bestimmter Kapazität entsprechend dem Motorhubraum an der stromabwärtigen oder stromaufwärtigen Seite des obigen Systems unter Verwendung des Adsorbens-Katalysators vorzusehen.
Die Stelle, an der das System mit dem Adsorbens-Katalysator angeordnet ist, liegt vorzugsweise in der Nähe des Motors zwecks früher Zündung der Katalysatorschicht des Adsorbens-Katalysators oder Katalysators. Der Abstand zwischen dem Adsorbens-Katalysator und dem (oder den) Katalysator(en) an der stromaufwärtigen und/oder stromabwärtigen Seite davon ist vorzugsweise gering (zueinander benachbart), sodaß die in der Katalysatorschicht der stromaufwärtigen Seite erzeugte Reaktionswärme rasch zur Katalysatorschicht der stromabwärtigen Seite geleitet wird, um die Zündung der Katalysatorschicht der stromabwärtigen Seite zu beschleunigen.
Um die beim Kaltstart erzeugten HC günstigerweise zu reduzieren, ist es notwendig, daß zumindest der Katalysator oder der Katalysatorabschnitt des Adsorbens-Katalysators früh zündet. In einem brennstoffreichen Bereich, der sich beim Kaltstart bildet, tritt sehr selten eine Verbrennungsreaktion durch den Katalysator oder den Katalysatorabschnitt des Adsorbens-Katalysators auf, und es ist auch keine ausreichende Erhitzung des Katalysators oder Katalysatorabschnitts durch die Reaktionswärme zu erwarten. Daher ist es wünschenswert, ein Zufuhrmittel für oxidierendes Gas (z. B. ein Sekundärluft-Zufuhrmittel), das oxidierendes Gas (z. B. Sekundärluft) von der stromaufwärtigen Seite des Katalysators (am nähesten zum Motor) oder des Adsorbens-Katalysators zuführt, oder ein Treibstoff-Verbrennungsluft-Einstellmittel (ein A/F-Einstellmittel) zur Einstellung der Menge an Treibstoff und Verbrennungsluft einzubauen, wodurch die Abgaszusammensetzung beim Kaltstart einen Sauerstoff-Überschuß erhält.
Die Abgaszusammensetzung mit Sauerstoff-Überschuß ist hierin eine Zusammensetzung, die im Vergleich zu jener Abgaszusammensetzung, die beim Kaltstart eines herkömmlichen Verbrennungsmotors ohne spezielles Steuermittel gebildet wird, einen Sauerstoff-Überschuß aufweist. Im Fall eines Benzinmotors verlagert sich das Luft-Treibstoff- Verhältnis auf 14,0 (schwache Reduktionsseite) oder, noch bevorzugter, auf die magere Seite von 14,6-19,0 (der Oxidationsseite entsprechend). Wenn das Luft-Treibstoff-Verhältnis auf diese Weise auf die magere Seite verlagert wird, kann die Oxidationsaktivität des Katalysators (oder des Katalysatorabschnitts des Adsorbens-Katalysators) deutlich verbessert werden. Wenn Reformbenzin, Methanol oder dergleichen als Treibstoff verwendet wird, differiert das theoretische Luft-Treibstoff-Verhältnis, weshalb in einem solchen Fall das Luft-Treibstoff-Verhältnis unter Anwendung eines Äquivalenz-Verhältnisses λ umgewandelt und das Luft-Treibstoff-Verhältnis des Reformbenzins, Methanols oder dergleichen vorzugsweise auf die magere Seite des somit umgewandelten Werts verlagert wird.
Wenn die durch den Adsorbensabschnitt des Adsorbens-Katalysators oder des Adsorbens mit inaktivem Durchblas-Bereich adsorbierte HC beginnen, vom Adsorbensabschnitt oder dem Adsorbens desorbiert zu werden, verlagert sich die Gas Zusammensetzung vorübergehend auf die Reduktionsseite. Selbst wenn daher der Katalysatorabschnitt (oder der Adsorbens-Katalysator) oder der stromabwärtige Katalysator seine Zündtemperatur erreicht hat, ist die Verbrennungsreaktion in einigen Fällen unzulänglich. Es ist daher wünschenswert, daß zumindest ein Zufuhrmittel für oxidierendes Gas und/oder ein Treibstoff-Verbrennungsluft-Einstellmittel vor dem Adsorbens-Katalysator (auf der stromaufwärtigen Seite) oder dem stromabwärtigen Katalysator eingebaut wird, um dafür zu sorgen, daß die Abgaszusammensetzung einen Sauerstoff-Überschuß aufweist, und um die desorbierten HC mit Hilfe des Katalysatorabschnitts oder des Katalysators wirksam zu verbrennen.
Für beide Zwecke, das frühe Zünden des Katalysatorabschnitts oder des Katalysators und die günstige Entfernung der desorbierten HC mit Hilfe des Katalysatorabschnitts oder des stromabwärtigen Katalysators, eignen sich das Zufuhrmittel für oxidierendes Gas und/oder das Treibstoff-Verbrennungsluft-Einstellmittel.
Ein Detektionsmittel, das detektieren kann, daß die Desorption der adsorbierten HC begonnen hat, z. B. ein O&sub2;-Sensor oder ein HC-Sensor, wird vorzugsweise zumindest zwi schen dem Adsorbens und dem stromabwärtigen Katalysator eingebaut, wodurch die Desorption der HC durch dieses Detektionsmittel detektiert werden kann. Gemäß einem davon ausgesendeten Signal wird das Zufuhrmittel für oxidierendes Gas oder das Treibstoff-Verbrennungsluft-Einstellmittel betrieben.
Um den Katalysatorabschnitt oder den Katalysator früh zu zünden, wird das Zufuhrmittel für oxidierendes Gas oder das Treibstoff-Verbrennungsluft-Einstellmittel üblicherweise in Entsprechung eines Signals vom O&sub2;-Sensor zu A/F-Einstellung, der sich an einer vordersten Position des Adsorbens-Katalysators oder des Katalysators befindet, oder in Entsprechung mit einem zuvor erstellten externen Programm zur Vermeidung des satten Bereichs, der sich beim Kaltstart bildet, betrieben. In diesem Fall können sowohl das Zufuhrmittel für oxidierendes Gas als auch das Treibstoff-Verbrennungsluft-Einstellmittel eingebaut werden.
Um die desorbierten HC mit Hilfe des stromabwärtigen Katalysators wirksam zu verbrennen, wird das Zufuhrmittel für oxidierendes Gas zumindest an einer beliebigen gewünschten Position vor dem stromabwärtigen Katalysator (auf der stromaufwärtigen Seite) eingebaut. Dieses Mittel kann als auch Zufuhrmittel für oxidierendes Gas dienen, das vor dem Katalysator oder dem Adsorbens-Katalysator in nächster Nähe zum Motor zwecks Frühzündung des Katalysators oder Adsorbens-Katalysators positioniert ist, oder das erstere Mittel kann getrennt vom zweiteren Mittel eingebaut werden. Sofern mehrere Zufuhrmittel für oxidierendes Gas eingebaut sind, können sie getrennt oder in Kombination betrieben werden.
Um schädliche Substanzen, wie z. B. HC, CO, NOx und dergleichen, die aus dem Verbrennungsmotor ausgestoßen werden, entfernen zu können, besitzen der Katalysatorabschnitt des Adsorbens-Katalysators und der Katalysator vorzugsweise eine Wabenstruktur aus hitzebeständigem anorganischem Material, das mit einer Katalysatorschicht eines hitzebeständigen Oxids überzogen ist, umfassend zumindest ein Edelmetall, das aus Pt, Pd und Rh ausgewählt ist. Das Material der Wabenstruktur ist hinsichtlich der Hitze- und Thermoschockbeständigkeit vorzugsweise Cordierit oder Edelstahl auf Ferrit-Basis.
Jedes dieser Edelmetalle wird eingesetzt, indem es auf ein hitzebeständiges Oxid, wie z. B. Al&sub2;O&sub3;, SiO&sub2;, TiO&sub2; oder ZrO&sub2;, oder ein Verbundoxid davon aufgebracht wird. Es ist besonders bevorzugt, als hitzebeständiges Oxid Al&sub2;O&sub3; mit einer spezifischen Oberfläche von 100 m²/g oder mehr zu verwenden, da das Oxid das Edelmetall in einem hochdispergierten Zustand tragen und die resultierende Katalysatorschicht der Wabenstruktur verbesserte Zündeigenschaften bei Tieftemperaturen und Hitzebeständigkeit aufweisen kann.
Es ist besonders vorzuziehen, 5-30 Gew.-% eines Oxids mit Sauerstoff-Speicherfähigkeit, wie z. B. CeO&sub2;, La&sub2;O&sub3; oder CeO&sub2;-ZrO&sub2;, dem obigen hitzebeständigen Oxid zuzusetzen, da die Katalysatorschicht der Wabenstruktur verbesserte Aktivität im stationären Zustand aufweisen kann.
Die Gesamtmenge des oder der getragenen Edelmetalle(s) im Katalysatorabschnitt des Katalysators liegt vorzugsweise im Bereich von 0,71-4,6 g/l (20-130 g/Kubikfuß), während die Menge des getragenen Rh vorzugsweise im Bereich von 0,071-1,1 g/l (2-30 g/Kubikfuß) liegt. Das Tragen von Pd alleine in einer Menge von 1,4-11 g/l, (40-300 g/Kubikfuß) ist auch bevorzugt, da es die Zündung bei tiefen Temperaturen ermöglicht.
Der Adsorbensabschnitt des Adsorbens-Katalysators oder das Adsorbens mit inaktivem Durchblas-Abschnitt ist vorzugsweise eine Wabenstruktur aus dem obigen hitzebeständigen anorganischen Material, das mit einer Adsorbensschicht überzogen ist, die als Hauptkomponente Zeolith umfaßt.
Materialien, die schädliche Komponenten, wie z. B. HC und dergleichen, adsorbieren können, sind z. B. Zeolith, Aktivkohle usw. Die Verwendung von Zeolith in der Adsorbensschicht ist vorzuziehen, da das Adsorbens, das im Abgas-Strömungsweg ohne Ver wendung eines Umleitungssystems angeordnet ist, eine Hitzebeständigkeit von zumindest 500ºC aufweisen muß.
Der in der Erfindung verwendete Zeolith kann ein natürliches oder synthetisches Produkt sein, wobei die Art des Zeoliths keinen besonderen Einschränkungen unterliegt. Ein Zeolith mit einem Si/Al-Molverhältnis von 40 oder mehr ist jedoch hinsichtlich Hitzebeständigkeit, Haltbarkeit und Hydrophobie geeignet. Typische Beispiele für den bevorzugten Zeolithe sind ZSM-5, USY, β-Zeolith, Silicalit und Metallosilicat.
Diese Zeolithe können einzeln oder in Kombination verwendet werden. Beispielsweise ist der Zeolith ZSM-5 mit relativ kleinen Mikroporen von etwa 0,55 nm dazu geeignet, kleine Moleküle wie z. B. Propen usw. zu adsorbieren, jedoch nicht dazu geeignet, große Moleküle wie z. B. Toluol, Xylol usw. zu adsorbieren. Der Zeolith USY mit relativ großen Mikroporen von etwa 0,74 nm hingegen ist nicht dazu geeignet, kleine Moleküle wie z. B. Propen usw. zu adsorbieren, jedoch zu geeignet, große Moleküle wie z. B. Toluol, Xylol usw. zu adsorbieren. Daher besteht eine bevorzugte Vorgangsweise darin, eine Wabenstruktur mit einem Gemisch von ZSM-5 und USY zu überziehen. Alternativ dazu können ZSM-5 und USY auf der Wabenstruktur in Strömungsrichtung des zu reinigenden Abgases getrennt getragen werden. In diesem Fall ist es vorzuziehen, ZSM-5 auf der stromaufwärtigen Seite der Wabenstruktur zu tragen, da ZSM-5 HC adsorbieren und bis zu einer relativ hohen Temperatur von 150ºC halten kann.
Zeolith kann selbst als Adsorbens verwendet werden, doch um die Verkokung, die gleichzeitig mit der Adsorption der HC usw. erfolgt, zu steuern, ist es vorzuziehen, daß zumindest ein Edelmetall, ausgewählt aus Pt, Pd und Rh, auf dem Zeolith getragen wird, wodurch die Adsorptionsleistung von Zeolith ohne Beeinträchtigung wiederhergestellt wird.
Als Edelmetall, das auf Zeolith getragen werden kann, ist Pd vorzuziehen, da es am kostengünstigsten ist und eine hohe Regenerationsfähigkeit von Zeolith aufweist. Um das Edelmetall auf Zeolith zu tragen, ist - hinsichtlich der Wärmestabilität - ein Ionenaustauschverfahren geeignet. Die Menge an zu tragendem Edelmetall liegt hinsichtlich der Kosten und Regenerationsfähigkeit von Zeolith vorzugsweise im Bereich von 0,55-4,4 g/l (5-50 g/Kubikfuß) Wabenvolumen. Wenn Zeolith auf der Wabenstruktur getragen wird, kann er gegebenenfalls 5-20 Gew.-% eines anorganischen Bindemittels, wie z. B. Al&sub2;O&sub3; oder SiO&sub2;, enthalten, wodurch Zeolith ohne Beeinträchtigung des Adsorptionsvermögens für HC usw. zuverlässig getragen werden kann.
Wenn ein Edelmetall auf Zeolithen getragen wird, verfügt das Edelmetall nicht nur über die Fähigkeit der Zeolith-Regeneration, sondern auch über eine katalytische Aktivität. Das Edelmetall im Zeolith neigt jedoch zum Sintern und weist mangelhafte Katalysator- Haltbarkeit auf. Daher kann eine Adsorbensschicht Zeolith und die gleiche Katalysator- Komponente enthalten, wie sie in der Katalysatorschicht des Katalysators enthalten ist, oder eine zeolith-hältige Adsorbensschicht mit einer darauf befindlichen Katalysatorschicht sein, die eine Katalysator-Komponente enthält. In der Folge enthält der Adsorptionsabschnitt oder das Adsorbens eine haltbare Katalysator-Komponente, weshalb er bzw. es selbst während des konstanten Fahrbetriebs nach dem Kaltstart günstigerweise Reinigungsleistung aufweisen kann. Die Zugabe der Katalysator-Komponente eignet sich auch zur Unterdrückung von Zeolith-Verkokung, weshalb es nicht immer notwendig ist, dem Zeolith das Edelmetall zuzugeben.
Es ist weiters vorzuziehen, daß der Zeolith zumindest ein Ion enthalten kann, das aus den Ionen der IB-Gruppen-Elemente des Periodensystems (Cu, Ag und Au) ausgewählt ist, da der resultierende Zeolith ein verbessertes HC-Adsorptionsvermögen besitzen kann. Der Anteil des Ions im Zeolith beträgt vorzugsweise 20% oder mehr, vorzugsweise 40% oder mehr, bezogen auf das AI-Atom im Zeolith, da ein geringer Anteil des lons nur eine geringfügige Verbesserung des HC-Adsorptionsvermögens bewirkt. Das Ion kann im Zeolith in jeder gewünschten Kombination mit dem oben erwähnten Edelmetall enthalten sein.
Günstigerweise enthält der Zeolith außerdem neben zumindest einem Ion der IB-Gruppen-Elemente zumindest ein Ion, das aus den Ionen von Mg, Ca, Sr, Ba, Y, La, Ti, Ce, Mn, Fe, Cr, Ni und Zn ausgewählt ist, vorzugsweise zumindest ein Ion, das aus den Ionen von Mg, Ca, Fe und Cr ausgewählt ist, da der resultierende Zeolith verbesserte Hitzebeständigkeit aufweist.
Ein bevorzugtes Beispiel des Adsorbens-Katalysators oder Adsorbens mit inaktivem Durchblas-Abschnitt, worin die Oberfläche der Adsorbensschicht mit einer Katalysatorschicht überzogen ist, ist ein Mehrschichttyp, worin die Oberfläche der Wabenstruktur mit einer ersten Schicht überzogen ist, d. h. mit einem Zeolith mit hohem Siliziumoxid- Anteil wie z. B. ZSM-5, USY oder β-Zeolith mit einem darauf getragenen Edelmetall, und die Oberfläche der ersten Schicht mit einer zweiten Schicht überzogen ist, d. h. einem Al&sub2;O&sub3;-CeO&sub2;-Verbundoxid mit einem darauf getragenen Edelmetall.
In einem solchen Mehrschichttyp dient Al&sub2;O&sub3; (die Hauptkomponente der zweiten Schicht) als Vortrockner der selektiven Adsorption des im Abgas enthaltenen H&sub2;O, das beim Kaltstart erzeugt wird, und steigert das Adsorptionsvermögen der ersten Schicht für HC. Mit dem Anstieg der Abgastemperatur wird außerdem die zweite Schicht (die Oberflächenschicht), welche die Katalysator-Komponente enthält, zuerst erhitzt, wobei dann, wenn die Zeolith-Komponente in der ersten Schicht die adsorbierten HC usw. desorbiert, sich die Katalysator-Komponente in der zweiten Schicht vorteilhaft auswirkt. Es ist wünschenswert, daß zum Zeitpunkt der Desorption der HC usw. das Abgas durch Zufuhr eines oxidierenden Gases oder durch Einstellung des Verhältnisses zwischen Verbrennungsluft und zugeführtem Treibstoff einen Sauerstoff-Überschuß enthält. Indem das Abgas einen Sauerstoff-Überschuß enthält, kann die katalytische Aktivität der zweiten Schicht deutlich verbessert werden.
Selbst wenn kein Mehrschichttyp verwendet wird und die Katalysator-Komponente mit einem darauf getragenen Edelmetall und die Zeolith-Komponente auf der Wabenstruktur gemischt getragen werden, kann der resultierende Adsorbens-Katalysator oder das Adsorbens relativ gut funktionieren.
Das Gewichtsverhältnis der Zeolith-Komponente zur Katalysator-Komponente beträgt 50-85 : 15-50, wobei vorzugsweise eine größere Menge der Zeolith-Komponente vorhanden ist. Hinsichtlich der auf der Wabenstruktur zu tragenden Mengen liegt die Menge der Zeolith-Komponente vorzugsweise im Bereich von 0,05-0,40 g/cm³, jene der Katalysator-Komponente vorzugsweise im Bereich von 0,02-0,20 g/cm³.
In der Erfindung wird bevorzugt, daß zumindest ein elektrisches Heizelement (nachstehend als "EH" bezeichnet) im Abgassystem eingebaut wird, um eine Frühzündung des Katalysatorabschnitts (des Adsorbens-Katalysators) oder des Katalysators zu erzielen.
Das EH wird im Hinblick auf Druckverlust und Hitzebeständigkeit vorzugsweise durch Anbringen von Elektroden zur Stromzufuhr an eine Wabenstruktur konstruiert, die ein hitzebeständiges Metall, wie z. B. Ferrit oder dergleichen, umfaßt. Vorzugsweise wird dieses EH mit einer Katalysatorschicht überzogen, die ein hitzebeständiges anorganisches Oxid umfaßt, das zumindest ein Edelmetall enthält, um einen EHC (d. h. einen elektrisch beheizten Katalysator) zu bilden, da mit diesem EHC die Wärme der katalytischen Reaktion der HC usw. die zum Erhitzen des Heizelements erforderliche elektrische Energie verringern kann.
Im Abgasreinigungsverfahren der Erfindung kann die Aktivierung des Katalysatorabschnitts (des Adsorbens-Katalysators) oder des Katalysators im Reinigungssystem erfolgen, indem oxidierendes Gas in das System eingeleitet wird. Als oxidierendes Gas kann Ozon, O&sub2;, Sekundärluft usw. verwendet werden, wobei davon Sekundärluft am meisten bevorzugt ist, da sie mittels einer einfachen Vorrichtung, wie z. B. eine Luftpumpe oder dergleichen, eingeleitet werden kann.
Die Zufuhr des oxidierenden Gases kann im wesentlichen gleichzeitig mit dem Motorstart erfolgen, wenn der Adsorbens-Katalysator oder der Katalysator in der Nähe des Motors angeordnet ist, da der Adsorbens-Katalysator oder der Katalysator durch die Hitze des vom Motor erzeugten Abgases rasch erhitzt wird. Die Zufuhr des oxidierenden Gases wird üblicherweise zu einem Zeitpunkt abgebrochen, wenn ein O&sub2;-Sensor zur A/F-Einstellung mit dem Erwärmen des Motors funktioniert und der Betrieb in einem entsprechenden Verhältnis erfolgt. Bei Verwendung eines O&sub2;-Sensors mit einem Heizelement wird die Zufuhr des oxidierenden Gases zu einem Zeitpunkt abgebrochen, wenn 20-50 Sekunden nach dem Motorstart verstrichen sind; im Fall der Verwendung eines O&sub2;-Sensors ohne Heizelement erfolgt sie zu einem Zeitpunkt, wenn etwa 40-140 Sekunden nach dem Motorstart vergangen sind.
Der Zufuhrzeitpunkt des oxidierenden Gases, das zugeführt wird, um die desorbierten HC wirksam zu verbrennen (mit dem Katalysatorabschnitt oder dem stromabwärtigen Katalysator), wird hingegen vorzugsweise unter Verwendung eines Detektionsmittels, wie z. B. eines O&sub2;-Sensors oder eines HC-Sensors, detektiert, das sich auf der stromabwärtigen Seite des Adsorbens-Katalysators oder des Adsorbens mit inaktivem Durchblas- Abschnitt befindet. Die Menge des zuzuführenden oxidierenden Gases ist solcherart, daß die Abgaszusammensetzung im Adsorbens-Katalysator oder dem stromabwärtigen Katalysator einen Sauerstoffüberfluß aufweist, wobei diese Menge z. B. unter Nutzung des Ausgangssignals des Detektionsmittels gesteuert werden kann. Wenn die Temperatur des Adsorbensabschnitts oder des Adsorbens im allgemeinen 80-100ºC übersteigt, beginnen die HC, desorbiert zu werden. Daher setzt die Zufuhr des oxidierenden Gases innerhalb von 50 Sekunden nach dem Motorstart ein, was je nach Position des Adsorbens-Katalysators oder des Adsorbens schwankt, und wird dann abgebrochen, wenn etwa 40-140 Sekunden nach dem Motorstart vergangen sind.
Die Verwendung eines EH oder EHC ist vorzuziehen, da durch Anlegen einer Spannung an das EH oder den EHC gleichzeitig mit der Zufuhr von oxidierendem Gas die vom Adsorbensabschnitt desorbierten HC wirksam im Katalysatorabschnitt oder im stromabwärtigen Katalysator gereinigt werden können.
Die Menge des zuzuführenden oxidierenden Gases liegt im Bereich von etwa 50-300 I/min. hängt aber vom Motorhubraum ab. Wenn das oxidierende Gas im Überschuß zugeführt wird, wird der Katalysatorabschnitt oder der stromabwärtige Katalysator gekühlt. Es ist somit vorzuziehen, daß das oxidierende Gas in einer solchen Menge zugeführt wird, daß das Luft-Treibstoff-Verhältnis in der Nähe des Äquivalenzpunkts liegt. Die Menge des zuzuführenden oxidierenden Gases kann konstant sein oder in geeigneter Weise verändert werden.
Die Abgaszusammensetzung mit Sauerstoff-Überschuß kann nicht nur durch die Zufuhr von oxidierendem Gas erhalten werden, sondern auch durch Betreiben des Motors in einem bestimmten Modus, d. h. durch Einstellen der Menge an Verbrennungsluft und an zugeführtem Treibstoff, wobei eine ähnliche Wirkung auch durch das zweitere Verfahren erzielt werden kann. Beispiele für das zweitere Verfahren sind ein Verfahren, das die Zufuhr von Treibstoff in einer Menge umfaßt, die geringer als die theoretische Menge ist (bezogen auf die durch einen Luftströmungssensor oder dergleichen detektierte Luftmenge), in einer offenen Schleifensteuerung (ohne Verwendung eines O&sub2;-Sensors) nach der Motorzündung; ein Verfahren, umfassend das Steuern des Luft-Treibstoff-Verhältnisses durch Verwendung eines O&sub2;-Sensors und eines Computers, sodaß dieses Verhältnis über einen bestimmten Zeitraum z. B. auf der mageren Seite ist; und ein Verfahren, umfassend das Steuern des Luft-Treibstoff-Verhältnisses durch Verwendung z. B. eines PEGO-Sensors (Proportional Exhaust Gas Oxygen Sensor), dessen Ausgangssignal sich in Entsprechung mit dem Luft-Treibstoff-Verhältnis linear ändert, sodaß dieses Verhältnis über einen bestimmten Zeitraum z. B. auf der mageren Seite ist.
Zum Zeitpunkt der Motorzündung wird ein treibstoffreicher Zustand als Motorleistung herangezogen. Neben einem herkömmlichen System ist auch ein Gerät erforderlich, das die Abgaszusammensetzung durch das obige Verfahren steuern kann. Das Verfahren zur Steuerung der Abgaszusammensetzung durch Verwendung eines Sensors ist äußerst präzise, doch das Erwärmen des Sensors selbst ist zeitaufwendig. Dieser Nachteil wird durch die Verwendung z. B. eines Sensors mit einem Heizelement deutlich verringert. Um jedoch relativ rasch eine Abgaszusammensetzung mit Sauerstoff-Überschuß zu erhalten, ist es vorzuziehen, oxidierendes Gas zuzuführen oder eine andere Vorrichtung als den Sensor zu verwenden. Die gleichzeitige Durchführung (1) der Zufuhr von oxidierendem Gas und (2) der Einstellung der Menge von Verbrennungsluft und Treibstoff ist vorzuziehen, um eine Abgaszusammensetzung mit Sauerstoff-Überschuß zu erhalten.
Es folgt eine ausführliche Beschreibung der Erfindung durch Beispiele, auf welche die Erfindung allerdings nicht beschränkt ist.

Herstellung von Adsorbens-Katalysatoren

Adsorbens-Katalysator I

0,23 g/cm³ γ-Al&sub2;O&sub3;.CeO&sub2; (Gewichtsverhältnis 70 : 30) wurden auf einen zylindrischen Mittelabschnitt einer zylindrischen Wabenstruktur auf Cordierit-Basis (ein Produkt von NGK Insulators, Ltd.) aufgebracht (Durchmesser des Querschnitts = 144 mm, Länge = 100 mm, Wandstärke = 150 um, Zelldichte = 62 Zellen/cm² oder 400 Zellen/Quadratzoll), d. h. einem zylindrischen Abschnitt mit der gleichen Mittelachse wie die Wabenstruktur in Durchgangsrichtung der Wabenstruktur und mit einem Querschnittsdurchmesser von 88 mm und der gleichen Länge (100 mm) wie die Wabenstruktur. Darauf wurden Pd, Pt und Rh in einem Verhältnis von 6 : 5 : 1 in einer Gesamtmenge von 2,8 g/l, (80 g/Kubikfuß) aufgebracht. Das Brennen erfolgte bei 550ºC, um eine Katalysatorschicht zu bilden. Auf dem Abschnitt der Wabenstruktur, die den Wabenabschnitt umgab, auf dem die Katalysatorschicht getragen wurde, wurden 0,15 g/cm³ ZSM-5 (Produkt der PQ Corporation) mit einem Si/Al-Verhältnis von 280 aufgebracht. Das Brennen erfolgte bei 550ºC, um eine Adsorbensschicht zu bilden. Somit wurde - wie aus Fig. 1 ersichtlich - ein Adsorbens-Katalysator I erhalten, bestehend aus (1) einem zentralen zylindrischen Katalysatorabschnitt 16, der durch Tragen einer Katalysatorschicht auf einem zentralen zylindrischen Abschnitt einer zylindrischen Wabenstruktur 15 gebildet ist, und (2) einem äußeren Adsorbensabschnitt 17, der durch Tragen einer Adsorbensschicht auf dem Restabschnitt der Wabenstruktur gebildet ist.

Adsorbens-Katalysator II

In gleicher Weise wie im Adsorbens-Katalysator I wurde der gleiche ZSM-5 wie oben auf einen zentralen zylindrischen Abschnitt der gleichen zylindrischen Wabenstruktur wie im Adsorbens-Katalysator I aufgebracht, d. h. einem zylindrischen Abschnitt mit der gleichen Mittelachse wie die Wabenstruktur in Durchgangsrichtung der Wabenstruktur und mit einem Querschnittsdurchmesser von 104 mm und der gleichen Länge (100 mm) wie die Wabenstruktur. Dann erfolgte das Brennen in gleicher Weise wie im Adsorbens-Katalysator I, um eine Adsorbensschicht zu bilden. In gleicher Weise wie im Adsorbens-Katalysator 1 wurde ein Katalysator auf jenen Abschnitt der Wabenstruktur aufgebracht, der den Wabenabschnitt umgibt, auf den der ZSM-5 aufgebracht wurde, bevor Brennen zur Ausbildung einer Katalysatorschicht durchgeführt wurde. Somit wurde ein in Fig. 2 gezeigter Absorbens-Katalysator erhalten, bestehend aus (1) einem zentralen zylindrischen Adsorbensabschnitt 17, der durch Tragen einer Adsorbensschicht auf einem zentralen zylindrischen Abschnitt einer zylindrischen Wabenstruktur 15 gebildet ist, und (2) einem äußeren Katalysatorabschnitt 16, der durch Tragen einer Katalysatorschicht auf dem Restabschnitt der Wabenstruktur gebildet ist.

Adsorbens-Katalysator III

Aus der gleichen zylindrischen Wabenstruktur wie im Absorbens-Katalysator I wurde ein zylindrischer Abschnitt von 88 mm (Querschnittsdurchmesser) und 50 mm (Länge) mit der gleichen Mittelachse wie die Wabenstruktur in Durchgangsrichtung der Wabenstruktur, umfassend ein Ende der Wabenstruktur, entfernt, wobei die resultierende Wabenstruktur mit einem zylindrischen Hohlraum als Träger zur Herstellung von Adsorbens-Katalysator verwendet wurde. Getrennt davon wurde γ-Al&sub2;O&sub3;.CeO&sub2; (Gewichtsver hältnis 70 : 30) mit Pd unter Verwendung einer wäßrigen Pd(NO&sub3;)&sub3;-Lösung imprägniert, gefolgt von Trocknen und Brennen bei 550ºC, um ein auf Pd getragenes γ-Al&sub2;O&sub3;.Ce0&sub2;- Verbundoxid zu erhalten. 0,1 g/cm³ dieses Verbundoxids wurden auf einen zentralen zylindrischen Abschnitt der oben erhaltenen Wabenstruktur aufgebracht, der sich vom Hohlraum zum anderen Ende der Wabenstruktur erstreckt und einen Querschnittsdurchmesser von 88 mm und eine Länge von 50 mm in Durchgangsrichtung der Wabenstruktur aufweist. Das Brennen erfolgte bei 550ºC, um eine Katalysatorschicht zu bilden. Die Menge des auf dieser Katalysatorschicht getragenen Pd betrug 5,3 g/l, (150 g/Kubikfuß). Getrennt davon wurde der gleiche ZSM-5 wie in Adsorbens-Katalysator I mit (NH&sub3;)&sub2;Pt(NO&sub2;)&sub2; bei 90ºC 4 Stunden lang zum Ionenaustausch mit Pt behandelt, gefolgt von Trocknen und Brennen bei 550ºC, um ein ionenausgetauschtes Pt-Zeolith-Pulver zu erhalten. Dieses Pulver wurde auf jenen Abschnitt der oben erhaltenen Wabenstruktur aufgebracht, die deren katalysatorschicht-tragenden Abschnitt umgibt. Das Brennen erfolgte bei 550ºC, um eine erste Schicht zu ergeben. Die Menge der ersten aufgebrachten Schicht betrug 0,15 g/cm³, jene des Pt in der ersten Schicht 1,18 g/l, (33,3 g/Kubikfuß). Dann wurde in gleicher Weise ein mit Rh vordotiertes γ-Al&sub2;O&sub3;-Pulver auf die erste Schicht aufgebracht, gefolgt von Brennen, um eine zweite Schicht zu bilden. Die Menge der ersten aufgebrachten Schicht betrug 0,05 g/cm³, jene von Rh in der zweiten Schicht 0,24 g/l (6,7 g/Kubikfuß). Ein mit Pd vordotiertes y-Al&sub2;O&sub3;-Pulver wurde auf die zweite Schicht aufgebracht, gefolgt von Brennen, um eine dritte Schicht zu bilden. Die Menge der dritten aufgebrachten Schicht betrug 0,16 g/l (40 g/Kubikfuß). Somit wurde ein in Fig. 3(a), einer perspektivischen Ansicht, und Fig. 3(b), einer Querschnittsansicht, gezeigter Adsorbens-Katalysator III erhalten, bestehend aus (1) einem zentralen zylindrischen Katalysatorabschnitt 16, der durch Tragen einer Katalysatorschicht auf dem zentralen zylindrischen Abschnitt einer zylindrischen Wabenstruktur 15 (mit zylindrischem Hohlkörper) gebildet ist (mit einer kürzeren Länge als der übrige Wabenstrukturabschnitt in axialer (Durchgangs)richtung der Wabenstruktur), und (2) einem Adsorbensabschnitt 17, der den Katalysatorabschnitt 16 umgibt, gebildet durch Tragen einer Adsorbensschicht, die eine Vielzahl an Schichten umfaßt, die jeweils eine Katalysator- Komponente enthalten, auf dem verbleibenden Wabenstrukturabschnitt, der seinen zentralen zylindrischen Abschnitt umgibt.

Adsorbens-Katalysator IV

In gleicher Weise wie beim Adsorbens-Katalysator I wurde eine Katalysatorschicht auf vier parallele zylindrische Innenabschnitte (gleicher Größe) der gleichen Wabenstruktur wie im Adsorbens-Katalysator I aufgebracht. Jeder der vier parallelen zylindrischen Abschnitte besaß einen Querschnittsdurchmesser von 50 mm und die gleiche Länge (100 mm) wie die Wabenstruktur in Durchgangsrichtung der Wabenstruktur und wies eine Achse auf, die sich parallel zur Achse der Wabenstruktur erstreckte und durch einen der vier Punkte führte, die einen Kreis in Viertel einteilten (Durchmesser 80 mm), der sich im Querschnitt der Wabenstruktur (im rechten Winkel zur Durchgangsrichtung) befand und den gleichen Mittelpunkt wie der Querschnitt aufwies. Dann erfolgte Brennen in gleicher Weise wie beim Adsorbens-Katalysator I. Auf dem übrigen Abschnitt der Wabenstruktur wurde der gleiche ZSM-5 aufgebracht wie beim Adsorbens-Katalysator I, gefolgt von Brennen in gleicher Weise wie im Fall des Adsorbens-Katalysators I. Somit wurde ein in Fig. 4 dargestellter Adsorbens-Katalysator IV, bestehend aus (I) vier Katalysatorabschnitten 16, gebildet durch Tragen einer Katalysatorschicht auf vier parallelen zylindrischen Innenabschnitten einer zylindrischen Wabenstruktur 1 S. und (2) einem Adsorbensabschnitt 17, gebildet durch Tragen einer Adsorbensschicht auf dem übrigen Wabenstrukturabschnitt, erhalten.

Adsorbens-Katalysator V

Eine Katalysatorschicht wurde auf einen Abschnitt mit geringer Querschnittsfläche der gleichen zylindrischen Wabenstruktur wie beim Adsorbens-Katalysator 1 aufgebracht; das Brennen erfolgte dann in gleicher Weise wie beim Adsorbens-Katalysator I. Auf den übrigen Abschnitt mit großer Querschnittsfläche der Wabenstruktur wurde der gleiche ZSM-5 aufgebracht wie beim Adsorbens-Katalysator I; das Brennen erfolgte dann in glei cher Weise wie im Fall des Adsorbens-Katalysators I. [Der Abschnitt mit geringer Querschnittsfläche der Wabenstruktur war ein Abschnitt geringer Querschnittsfläche der Wabenstruktur, der erhalten wurde, indem die Wabenstruktur durch eine Ebene in zwei Abschnitte unterteilt wurde, die orthogonal einen Durchmesser des Querschnitts der Wabenstruktur an ihrem 64 : 84 mm-Punkt schnitt und die parallel zur Achse der Wabenstruktur in Durchgangsrichtung verlief; der Abschnitt mit großer Querschnittsfläche war der übrige Abschnitt mit großer Querschnittsfläche der Wabenstruktur.] Somit wurde ein in Fig. 5 gezeigter Adsorbens-Katalysator V, bestehend aus (I) einem Katalysatorabschnitt 16, gebildet durch Tragen einer Katalysatorschicht auf einem kleinen Teil einer zylindrischen Wabenstruktur 1 S. der erhalten wurde, als die Wabenstruktur in zwei Abschnitte unterschiedlicher Größe unterteilt wurde, und (2) einem Adsorbensabschnitt 17, gebildet durch Tragen einer Adsorbensschicht auf dem übrigen großen Wabenstrukturabschnitt, erhalten.

Adsorbens-Katalysator VI

In gleicher Weise wie im Fall des Adsorbens-Katalysators I wurde eine Katalysatorschicht auf zwei der vier gleich unterteilten Abschnitte der gleichen zylindrischen Wabenstruktur wie im Adsorbens-Katalysator I aufgebracht. [Die vier gleich unterteilten Abschnitte der Wabenstruktur waren vier gleich große Abschnitte der Wabenstruktur, die erhalten wurden, als die Wabenstruktur durch zwei orthogonale Ebenen geviertelt wurde, umfassend die Mittelachse der Wabenstruktur parallel zur Durchgangsrichtung der Wabenstruktur, wobei die zwei Abschnitte einander gegenüberlagen und nur an der Mittelachse der Wabenstruktur in Kontakt miteinander standen.] Dann erfolgte Brennen in gleicher Weise wie beim Adsorbens-Katalysator I. Auf den übrigen zwei Abschnitten der Wabenstruktur wurde der gleiche ZSM-5 aufgebracht wie beim Adsorbens-Katalysator I, gefolgt von Brennen in gleicher Weise wie beim Adsorbens-Katalysator I. Somit wurde der in Fig. 6 dargestellte Adsorbens-Katalysator VI, bestehend aus (I) einem Katalysatorabschnitt 16, gebildet durch Tragen einer Katalysatorschicht auf zwei der vier gleich unterteilten Abschnitte einer zylindrischen Wabenstruktur 15 (die vier Abschnitte und zwei Abschnitte werden oben erklärt), und (2) einem Adsorbensabschnitt 17, gebildet durch Tragen einer Adsorbensschicht auf den übrigen zwei Abschnitten der Wabenstruktur, erhalten.

Adsorbens-Katalysator VII

Ein Träger für den Adsorbens-Katalysator wurde durch Verbinden der zwei zylindrischen Wabenstrukturen, d. h. (1) einer hohlen zylindrischen Wabenstruktur auf Cordierit-Basis (Außendurchmesser = 144 mm, Innendurchmesser = 45 mm, I = 100 mm, Wandstärke = 300 um, Zelldichte = 46,5 Zellen/cm² (300 Zellen/Quadratzoll)) und (2) einer zylindrischen Wabenstruktur auf Cordierit-Basis (Durchmesser = 44 mm, I = 100 mm, Wandstärke = 100 um, Zelldichte = 62 Zellen/cm² (400 Zellen/Quadratzoll)), mittels eines keramischen Bindematerials geringer Wärmeausdehnung erzeugt. In gleicher Weise wie im Fall des Adsorbens-Katalysators I wurde eine Katalysatorschicht auf die Wabenstruktur von 46,5 Zellen/cm² (300 Zellen/Quadratzoll) aufgebracht, die den Außenabschnitt des obigen Trägers darstellte, und Brennen durchgeführt. In gleicher Weise wie beim Adsorbens-Katalysator I wurde der gleiche ZSM-5 wie beim Adsorbens-Katalysator I auf die Wabenstruktur von 62 Zellen/cm² (400 Zellen/Quadratzoll) aufgebracht, die den Innenabschnitt des Trägers darstellte, und Brennen durchgeführt. Somit wurde der in Fig. 7 gezeigte Adsorbens-Katalysator VII, bestehend aus (1) einem Adsorbensabschnitt 17, gebildet durch Tragen einer Adsorbensschicht auf dem zylindrischen Innenabschnitt hoher Zelldichte mit zylindrischer Wabenstruktur 15, und (2) einem Katalysatorabschnitt 16, gebildet durch Tragen einer Katalysatorschicht auf dem Außenabschnitt geringer Dichte mit Wabenstruktur, erhalten.

Adsorbens-Herstellung

Adsorbens I

Ein hohlzylindrischer Träger für das Adsorbens wurde erzeugt, indem ein zylindrischer Innenabschnitt aus einer zylindrischen Wabenstruktur auf Cordierit-Basis entfernt wurde (ein Produkt von NGK Insulators, Ltd.; Durchmesser = 144 mm, I = 100 mm, Wandstärke = 150 um, Zelldichte = 62 Zellen/cm² (400 Zellen/Quadratzoll)). [Der entfernte zylindrische Innenabschnitt der zylindrischen Wabenstruktur (d. h. der hohle Abschnitt des erhaltenen Keramikkörpers) besaß die gleiche Mittelachse wie die Wabenstruktur parallel zu den Durchgängen der Wabenstruktur und einen Querschnittsdurchmesser von 88 mm sowie die gleiche Länge (100 mm) wie die Wabenstruktur in Durchgangsrichtung der Wabenstruktur.] Der gleiche ZSM-5 wie beim Adsorbens-Katalysator I wurde auf den Träger aufgebracht, und Brennen erfolgte in gleicher Weise wie beim Adsorbens-Katalysator 1. Somit wurde das in Fig. 8 gezeigte Adsobens I, umfassend (I) eine hohlzylindrische Wabenstruktur 15 mit zylindrischem Durchblas-Abschnitt 18 parallel zur Durchgangsrichtung der Wabenstruktur im Mittelabschnitt und (2) eine darauf getragene Adsorbensschicht. Das Adsorbens I ist das gleiche Material wie eines, das durch Entfernen des Katalysatorabschnitts vom Adsorbens-Katalysator I erhalten wird.

Adsorbens II

Ein zylindrischer Träger für Adsorbens mit vier parallelen, zylindrischen, offenen Löchern gleicher Größe wurde erzeugt, indem vier parallele zylindrische Abschnitte gleicher Größe aus der gleichen zylindrischen Wabenstruktur entfernt wurden, wie sie im Adsorbens-Katalysator I verwendet wurde. [Jeder der vier parallelen zylindrischen Abschnitte besaß einen Querschnittsdurchmesser von 50 mm und die gleiche Länge (100 mm) wie die Wabenstruktur in Durchgangsrichtung der Wabenstruktur sowie eine Achse, die sich parallel zur Achse der Wabenstruktur erstreckte und durch einen der vier Punkte führte, die einen Kreis (Durchmesser 80 mm) viertelten, der auf dem Querschnitt der Wabenstruktur lag (im rechten Winkel zur Durchgangsrichtung) und den gleichen Mittelpunkt wie der Querschnitt aufwies.] Auf den Träger wurde der gleiche ZSM-5 wie beim Adsorbens-Katalysator I aufgebracht, gefolgt vom Brennen in gleicher Weise wie beim Adsorbens-Katalysator I. Somit wurde das in Fig. 9 gezeigte Adsorbens II, umfassend (1) eine zylindrische Wabenstruktur 15 mit vier parallelen zylindrischen Durchblas-Abschnitten 18 gleicher Größe und (2) eine darauf getragene Adsorbensschicht, er halten. Das Adsorbens II ist das gleiche Material wie eines, das durch Entfernen des Katalysatorabschnitts vom Adsorbens-Katalysator IV erhalten wird, um vier parallele zylindrische Durchblas-Abschnitte darin auszubilden.

Adsorbens III

Ein kubischer Adsorbensträger mit zwei parallelen offenen Löchern gleicher Größe wurde erzeugt, indem aus einer kubischen Wabenstruktur auf Cordierit-Basis von 100 mm · 100 mm · 100 mm zwei parallele Abschnitte von jeweils 50 mm · 20 mm · 100 mm (Länge), deren Längerichtungen im rechten Winkel zur Axialrichtung der Durchgänge der Wabenstruktur verliefen und die um 20 mm voneinander beabstandet waren, entfernt wurden. Auf den Träger wurde der gleiche ZSM-5 wie beim Adsorbens- Katalysator I aufgebracht, und Brennen erfolgte in gleicher Weise wie im Fall des Adsorbens-Katalysators I. Somit wurde das in Fig. 10 gezeigte Adsorbens III, umfassend (1) eine kubische Wabenstruktur 15 mit zwei parallelen Durchblas-Abschnitten 18 gleicher Größe im rechten Winkel zur Axialrichtung der Durchgänge der Wabenstruktur und (2) eine darauf getragene Adsorbensschicht, erhalten.

Herstellung von Katalysatoren

Katalysatoren I, II, III und IV

0,23 g/cm³ γ-Al&sub2;O&sub3;.CeO&sub2; (Gewichtsverhältnis = 70 : 30) wurden auf jede von vier zylindrischen Wabenstrukturen auf Cordierit-Basis aufgebracht (Produkte von NGK Insulators, Ltd; Wandstärke = 150 um; Zelldichte = 62 Zellen/cm² (400 Zellen/Quadratzoll), Durchmesser und Länge = 93 mm und 33 mm (Katalysator I), 99 mm und 99 mm (Katalysator II), 144 mm und 100 mm (Katalysator III) sowie 76 mm und 88 mm (Katalysator IV)]. Dann wurden Pd, Pt und Rh in einem Verhältnis von 6 : 5 : 1 in einer Gesamtmenge von 2,8 g/l, (80 g/Quadratfuß) aufgebracht, gefolgt von Brennen bei 550ºC, um die Katalysatoren I, II, III und IV zu erhalten.

Herstellung des elektrischen Heizelements

Ein Fe-Pulver, ein Cr-30 Al-Pulver (Gew.-%), ein Fe-50 Al-Pulver (Gew.-%), ein Fe-20 B- Pulver (Gew.-%) und ein Y&sub2;O&sub3;-Pulver jeweils mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 44 um oder weniger wurden vermischt, um eine Zusammensetzung von Fe-18 Cr-8 Al-0,05 B-0,5 Y&sub2;O&sub3; zu erhalten. Als nächstes wurden Methylcellulose als organisches Bindemittel und Ölsäure als Antioxidans der Zusammensetzung in Anteilen von 4 g und 1 g pro 100 g der Zusammensetzung zugegeben, gefolgt von Vermischen. Als nächstes wurde das resultierende Gemisch (Kugeln) extrudiert, um einen zylindrischen Wabenformkörper zu bilden, der 16 Stunden lang bei 90ºC an der Luft getrocknet, 2 Stunden lang bei 1.325ºC unter Wasserstoff-Atmosphäre gebrannt (gesintert) und dann einer 30-minütigen Wärmebehandlung in Luft bei 1.1 50ºC unterzogen wurde, um eine Wabenstruktur zu erhalten. Diese besaß eine Porosität von 3%.
Die obige Wabenstruktur, umfassend sechseckige Zellen und einen Durchmesser von 93 mm, eine Dicke von 25 mm, eine Wandstärke von 0,1 mm und eine Zelldichte von 70 Zellen/cm² (450 Zellen/Quadratzoll), wurde einer Schleifbehandlung mittels einer Bandsäge unterzogen, wodurch sechs Schlitze 12 in der Wabenstruktur in einer Richtung parallel zur Achse jedes Durchgangs der Wabenstruktur ausgebildet wurden, sodaß die Anzahl an Zellen zwischen zwei benachbarten Schlitzen sieben und der Widerstand des resultierenden Heizelements 50 mΩ betrug (siehe Fig. 23).
Anschließend wurde das Heizelement mit der gleichen Katalysatorschicht wie bei Katalysator I überzogen und mit einem Paar Elektroden 11 versehen. Dann wurde das Heizelement in eine Dose aus Edelstahl eingesetzt, sodaß das Heizelement von der Dose abisoliert war. Das tatsächliche Volumen des erhaltenen Heizelements betrug 0,13 I.

Montage der Abgasreinigungssysteme

Die folgenden Abgasreinigungssysteme wurden unter Verwendung der oben erhaltenen Adsorbens-Katalysatoren, Adsorbentien, Katalysatoren und des elektrischen Heizelements zusammengesetzt. Um die römischen Zahlen, welche die Arten der Adsorbens- Katalysatoren, Adsorbentien und Katalysatoren bezeichnen, von den in den Fig. 11-24 verwendeten arabischen Zahlen zu unterscheiden, sind die arabischen Zahlen im folgenden in Klammern angeführt.

System A

Wie aus Fig. 11 ersichtlich, wurden im Strömungsweg eines Abgases aus einem Motor (1) der Adsorbens-Katalysator I (21) an der stromaufwärtigen Stelle und der Katalysator II (42) stromab vom Adsorbens-Katalysator I (21) angeordnet. Zwischen dem Motor (1) und dem Adsorbens-Katalysator I (21) wurden ein O&sub2;-Sensor (2) zur A/F-Einstellung an der stromaufwärtigen Seite und ein Loch (3) zur Sekundärluft-Zufuhr zwecks Zündungsbeschleunigung stromab vom O&sub2;-Sensor (2) angeordnet. Der Abstand vom Motorkrümmerauslaß zum Adsorbens-Katalysator I (21) betrug 600 mm, der Zwischenraum zwischen dem Adsorbens-Katalysator I (21) und dem Katalysator II (42) 30 mm. Ferner wurde der Katalysator III (in Fig. 11 nicht dargestellt) 1.200 mm vom Motorkrümmerauslaß entfernt angeordnet.

System 8

Wie aus Fig. 12 ersichtlich, wurden im Strömungsweg eines Abgases aus dem Motor (1) der Katalysator I (41), der Adsorbens-Katalysator III (23) und der Katalysator II (42) in dieser Reihenfolge von der Seite des Motors (1) weg angeordnet. Zwischen dem Motor (I) und dem Katalysator I (41) wurden ein O&sub2;-Sensor (2) zur A/F-Einstellung an der stromaufwärtigen Seite und ein Loch (3) zur Sekundärluft-Zufuhr zwecks Zündungsbeschleunigung stromab vom O&sub2;-Sensor (2) angeordnet. Der Abstand vom Motorkrümmer auslaß zum Katalysator I (41) betrug 600 mm, und die Zwischenräume zwischen dem Katalysator I (41) und dem Adsorbens-Katalysator III (23) sowie zwischen dem Adsorbens-Katalysator III (23) und dem Katalysator II (42) betrugen jeweils 30 mm. Außerdem wurde der (in Fig. 12 nicht dargestellte) Katalysator III 1.200 mm vom Motorkrümmerauslaß entfernt positioniert.

System C

Wie aus Fig. 13 ersichtlich, wurden im Strömungsweg eines Abgases aus dem Motor (1) der Adsorbens-Katalysator III (23), das elektrische Heizelement (50) und der Katalysator II (42) in dieser Reihenfolge von der Seite des Motors (1) weg angeordnet. Zwischen dem Motor (1) und dem Adsorbens-Katalysator III (23) wurden ein O&sub2;-Sensor (2) zur A/F- Einstellung an der stromaufwärtigen Seite und ein Loch (3) zur Sekundärluft-Zufuhr zwecks Zündungsbeschleunigung stromab vom O&sub2;-Sensor (2) angeordnet. Der Abstand vom Motorkrümmerauslaß zum Adsorbens-Katalysator III (23) betrug 600 mm, und die Zwischenräume zwischen dem Adsorbens-Katalysator III (23) und dem elektrischen Heizelement (50) sowie zwischen dem elektrischen Heizelement (50) und dem Katalysator II (42) betrugen jeweils 30 mm. Außerdem wurde der (in Fig. 13 nicht dargestellte) Katalysator III 1.200 mm entfernt vom Motorkrümmerauslaß positioniert.

System D

Dieses System wurde in gleicher Weise wie System C zusammengesetzt, außer daß der Katalysator I (41) zwischen dem Sekundärluft-Zufuhrloch (3) und dem Adsorbens-Katalysator III (23) untergebracht war, wie aus Fig. 14 ersichtlich. Der Abstand vom Motorkrümmerauslaß zum Katalysator I (41) betrug 600 mm, der Zwischenraum zwischen dem Katalysator I (41) und dem Adsorbens-Katalysator III (23) 30 mm.

System E

Dieses System wurde in gleicher Weise wie System D zusammengesetzt, außer daß ein weiteres elektrisches Heizelement (50') zwischen dem Katalysator I (41) und dem Adsorbens-Katalysator III (23) positioniert wurde, wie aus Fig. 15 ersichtlich. Die Zwischenräume zwischen dem Katalysator I (41) und dem elektrischen Heizelement (50') sowie zwischen dem elektrischen Heizelement (50') und dem Adsorbens-Katalysator III (23) betrugen jeweils 30 mm.

System F

Wie in Fig. 16 dargestellt, wurden im Strömungsweg eines Abgases aus einem Motor der Katalysator I (41) an der stromaufwärtigen Stelle und stromab davon ein Adsorbens- Katalysator I' (21') und ein Adsorbens-Katalysator I" (21") zueinander benachbart angeordnet (diese beiden Adsorbens-Katalysatoren wurden erzeugt, indem der Adsorbens- Katalysator I im rechten Winkel zu seiner Durchgangsrichtung gleich aufgeteilt wurde). Weiter stromab befand sich der Katalysator II (42). Zwischen dem Motor (1) und dem Katalysator I (41) wurden ein O&sub2;-Sensor (2) zur A/F-Einstellung an der stromaufwärtigen Stelle und ein Loch (3) für Sekundärluft-Zufuhr zwecks Zündungsbeschleunigung stromab vom O&sub2;-Sensor (2) positioniert. Der Abstand vom Motorkrümmerauslaß zum Katalysator I (41) betrug 600 mm, und die Zwischenräume zwischen dem Katalysator I (41) und dem Adsorbens-Katalysator I' (21'), zwischen dem Adsorbens-Katalysator I' (21') und dem Adsorbens-Katalysator I" (21") sowie zwischen dem Adsorbens-Katalysator I" (21) und dem Katalysator II (42) betrugen jeweils 30 mm. Der (in Fig. 16 nicht dargestellte) Katalysator III war 1.200 mm vom Motorkrümmerauslaß entfernt.

System G

Wie aus Fig. 17 ersichtlich, wurden im Strömungsweg eines Abgases aus dem Motor (1) der Katalysator I (41), der Adsorbens-Katalysator V (25) und der Katalysator (II) (42) in dieser Reihenfolge von der Seite des Motors (1) weg angeordnet. Ein Auspuffrohr (4) besaß einen Innendurchmesser von 50 mm, war jedoch an seiner Unterseite in Abschnitten, in denen sich der Katalysator I (41), der Adsorbens-Katalysator V (25) und der Katalysator II (42) befanden, erweitert. Der Adsorbens-Katalysator V (25) war so positioniert, daß die Oberseite der Katalysatorabschnitt (16) und die Unterseite der Adsorbensabschnitt (17) waren. Zwischen dem Motor (1) und dem Katalysator I (41) waren ein O&sub2;- Sensor (2) zur A/F-Einstellung an der stromaufwärtigen Stelle und ein Loch (3) zur Sekundärluft-Zufuhr zwecks Zündungsbeschleunigung stromab vom O&sub2;-Sensor (2) positioniert. Der Abstand vom Motorkrümmerauslaß zum Katalysator I (41) betrug 600 mm, und die Zwischenräume zwischen dem Katalysator I (41) und dem Adsorbens-Katalysator V (25) sowie zwischen dem Adsorbens-Katalysator V (25) und dem Katalysator II (42) betrugen jeweils 30 mm. Außerdem war der (in Fig. 17 nicht dargestellte) Katalysator III 1.200 mm vom Motorkrümmerauslaß entfernt.

System H

Wie aus Fig. 18 ersichtlich, waren im Strömungsweg eines Abgases aus dem Motor (1) der Katalysator I (41), der Adsorbens-Katalysator III (23) und der Katalysator 11(42) in dieser Reihenfolge von der Seite des Motors (1) weg angeordnet. Der Innendurchmesser des Auspuffrohrs (4) war vor und hinter dem Adsorbens-Katalysator III (23) stark verengt; die Zwischenräume (I) zwischen (I) jedem Ende des Adsorbensabschnitts (17), der den Außenabschnitt des Adsorbens-Katalysators III (23) bildet, und (2) der Innenwand des Auspuffrohrs (4) betrug 10 mm; dadurch war die Strömung von Abgas durch den Adsorptionsabschnitt (17) im Vergleich zur Gasströmung durch den Katalysatorabschnitt (16), der den Innenabschnitt des Adsorbens-Katalysator III (23) bildet, erschwert. Zwischen dem Motor (1) und dem Katalysator I (41) waren ein O&sub2;-Sensor (2) zur A/F-Einstellung an der stromaufwärtigen Stelle und ein Loch (3) zur Sekundärluft-Zufuhr zwecks Zündungsbeschleunigung stromab vom O&sub2;-Sensor (2) positioniert. Der Abstand vom Motorkrümmerauslaß zum Katalysator I (41) betrug 600 mm, und die Zwischenräume zwischen dem Katalysator I (41) und dem Adsorbens-Katalysator III (23) sowie zwischen dem Adsorbens-Katalysator III (23) und dem Katalysator II (42) betrugen jeweils 30 mm. Außerdem war der (in Fig. 18 nicht dargestellte) Katalysator III 1.200 mm vom Motorkrümmerauslaß entfernt.

System I

Wie aus Fig. 19 ersichtlich, waren im Strömungsweg eines Abgases aus dem Motor (1) der Adsorbens-Katalysator I (21) und der Katalysator II (42) in dieser Reihenfolge von der Seite des Motors (1) weg angeordnet. Innerhalb des Auspuffrohrs (4) und vor dem (stromauf vom) Adsorbens-Katalysator I (21) war eine Führung (5) für die Abgasströmung positioniert, sodaß diese durch die Führung eingeschränkt wurde; die Abgasströmung durch den Katalysatorabschnitt (16), der den Mittelabschnitt des Adsorbens-Katalysators I (21) darstellte, nahm im Vergleich zu jener durch den Adsorbens-Abschnitt (17), der den Außenabschnitt des Adsorbens-Katalysators (21) bildete, zu. Zwischen dem Motor (1) und dem Katalysator I (21) waren ein O&sub2;-Sensor (2) zur A/F-Einstellung an der stromaufwärtigen Seite und ein Loch (3) zur Sekundärluft-Zufuhr zwecks Zündungsbeschleunigung stromab vom O&sub2;-Sensor (2) positioniert. Der Abstand vom Motorkrümmerauslaß zum Katalysator I (21) betrug 600 mm und der Zwischenraum zwischen dem Katalysator I (21) und dem Adsorbens-Katalysator II (42) 30 mm. Außerdem war der (in Fig. 19 nicht dargestellte) Katalysator III 1.200 mm vom Motorkrümmerauslaß entfernt.

System J

Wie aus Fig. 20 ersichtlich, war dieses System in gleicher Weise wie System I zusammengesetzt, außer daß der Adsorbens-Katalysator II (22) statt des Adsorbens-Katalysators I des Systems I verwendet und eine Führung (6) für die Abgasströmung in das Auspuffrohr (4) vor dem (stromauf vom) Adsorbens-Katalysator II (22) eingesetzt wurde, sodaß die Strömungsmenge des Abgases durch den Katalysatorabschnitt (16), der den Außenabschnitt des Adsorbens-Katalysators II (22) bildete, im Vergleich zu jener durch den Adsorbensabschnitt (17), der den Mittelabschnitt des Adsorbens-Katalysators II (22) bildete, zunahm.

System K

Wie aus Fig. 21 ersichtlich, waren im Strömungsweg eines Abgases aus dem Motor (1) der Katalysator I (41), der Adsorbens-Katalysator III (23) und der Katalysator IV (44) in dieser Reihenfolge von der Seite des Motors (I) weg angeordnet. Der Adsorbens-Katalysator III (23) war so positioniert, daß eines seiner Enden (von dem sich ein zylindrischer Hohlabschnitt hin zum Inneren des Adsorbens-Katalysators III (23) erstreckte) an den Katalysator IV (44) angrenzte; Katalysator IV (44) war so positioniert, daß sein 20 mm- Vorderabschnitt in den Hohlabschnitt des Adsorbens-Katalysators III (23) eingesetzt war. Das Auspuffrohr (4) war so gestaltet, daß alle vom Adsorbensabschnitt (17) des Adsorbens-Katalysators III (23) desorbierten HC zurück zum Vorderende des Katalysators IV (44) strömen und dann durch diesen hindurch gelangen konnten. Zwischen dem Motor (I) und dem Katalysator I (41) waren ein O&sub2;-Sensor (2) zur A/F-Einstellung an der stromaufwärtigen Seite und ein Loch (3) zur Sekundärluft-Zufuhr zwecks Zündungsbeschleunigung stromab vom O&sub2;-Sensor (2) positioniert. Der Abstand vom Motorkrümmerauslaß zum Katalysator I (41) betrug 600 mm, und die Zwischenräume zwischen dem Katalysator I (41) und dem Adsorbens-Katalysator III (23) sowie zwischen dem Adsorbens-Katalysator III (23) und dem Katalysator IV (44) betrugen 30 mm. Außerdem war der (in Fig. 21 nicht dargestellte) Katalysator III 1.200 mm vom Motorkrümmerauslaß entfernt.

System L

Wie aus Fig. 22 ersichtlich, waren im Strömungsweg eines Abgases aus dem Motor (1) der Katalysator I (41), das Adsorbens I (31), der Adsorbens-Katalysator I (21) und der Katalysator II (42) in dieser Reihenfolge von der Seite des Motors (I) weg angeordnet. Zwischen dem Motor (1) und dem Katalysator I (41) waren ein O&sub2;-Sensor (2) zur AlF-Einstellung an der stromaufwärtigen Seite und ein Loch (3) zur Sekundärluft-Zufuhr zwecks Zündungsbeschleunigung stromab vom O&sub2;-Sensor (2) positioniert. Der Abstand vom Motorkrümmerauslaß zum Katalysator I (41) betrug 600 mm, und die Zwischenräume zwischen dem Katalysator I (41) und dem Adsorbens I (31), zwischen dem Adsorbens I (31) und dem Adsorbens-Katalysator I (21) sowie zwischen dem Adsorbens-Katalysator I (21) und dem Katalysator 11 (42) betrugen jeweils 30 mm. Außerdem war der (in Fig. 22 nicht dargestellte) Katalysator III 1.200 mm vom Motorkrümmerauslaß entfernt.

Bewertungen der Abgasreinigungs-Systeme

Um die Abgasreinigungs-Leistungen der Systeme A-L zu bewerten, wurde ein FRP-Test (LA-4-Modus) unter Verwendung eines Versuchsautos durchgeführt, in dem ein 4 Zylinder-Motor mit einem Hubraum von 2.000 cm³ eingebaut war. In diesem Fall wurde Sekundärluft durch das Loch 3 jedes Systems in einfacher Weise mittels einer Luftpumpe mit einer Rate von 100 l/min 90 Sekunden lang nach dem Motorstart eingeleitet, um ein Abgas mit Sauerstoff-Überschuß zu erhalten. In den Systemen mit elektrischem Heizelement wurde elektrischer Strom (2 kW) 30 Sekunden lang 30 Sekunden nach dem Motorstart mittels einer 12-V-Batterie an das elektrische Heizelement angelegt.
Das erzeugte Abgas wurde durch ein CVS-Verfahren gesammelt und seine Emissionsmenge dann berechnet. Die Versuchsergebnisse sind in Tabelle 1 veranschaulicht. Tabelle 1
[* 1 g/Meile = 0,6 g/km]

Messung der Temperaturverteilung

Im obigen FTP-Test unter Verwendung des Systems C wurde jeweils ein Thermoelement K an drei Positionen A, B und C angebracht, d. h. einer Position A des Katalysatorabschnitts des Adsorbens-Katalysators III, die sich 10 mm innerhalb des Einlaßseitenendes befand, einer Position B des Adsorbensabschnitts des Adsorbens-Katalysators III, die sich 10 mm innerhalb des Auslaßseitenendes befand, und einer Position C des Katalysators II, die sich 10 mm innerhalb des Einlaßseitenendes befand. Die Temperaturverteilung zwischen diesen drei Positionen zu Beginn des FTP-Versuchs wurde gemessen; d. h. die Temperaturen an den Positionen B und C wurden gemessen, als die Temperatur der Position A 100ºC, 200ºC und 300ºC erreichte. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 angeführt. Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, ist die Temperatur des Auslasses des Adsorbensabschnitts des Adsorbens-Katalysators III (stromauf) tiefer als die Temperatur des Einlasses des Katalysators II (stromab). Tabelle 2
Wie bereits erwähnt, ermöglicht die vorliegende Erfindung die wirksame Reinigung der schädlichen Komponenten, die im Abgas aus einem Verbrennungsmotor vorhanden sind, insbesondere der HC, die beim Kaltstart des Motors in großen Mengen erzeugt werden.

Claims

1. Adsorbens-Katalysator zur Abgasreinigung, umfassend:

eine Wabenstruktur (15) mit einer großen Anzahl an durch Trennwände voneinander getrennten Durchgängen im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung eines zu reinigenden Abgases, und

eine Absorbensschicht (17) mit Kohlenwasserstoff-Adsorptionsvermögen, die auf der Wabenstruktur getragen wird,

gekennzeichnet durch:

eine Katalysatorschicht (16) mit Dreiweg-Katalysator-Aktivität oder Oxidationsfähigkeit, die auf der Wabenstruktur getragen wird,

worin die Adsorbensschicht (17) und die Katalysatorschicht (16) in allen oder einem Teil der Querschnitte des Adsorbens-Katalysators im rechten Winkel zur Strömungsrichtung des Abgases getrennt auf der Wabenstruktur getragen werden.

2. Adsorbens-Katalysator nach Anspruch 1, worin die Querschnittsfläche des Abschnitts (16) der Wabenstruktur, auf dem die Katalysatorschicht getragen wird, 5 bis 80 % der Querschnittsfläche der Wabenstruktur ausmacht.

3. Adsorbens-Katalysator nach Anspruch 1 oder 2, worin die Wärmekapazität des Abschnitts (17) der Wabenstruktur, auf dem die Adsorbensschicht getragen wird, größer ist als die Wärmekapazität des Abschnitts (17) der Wabenstruktur, auf dem die Katalysatorschicht getragen wird.

4. Adsorbens-Katalysator nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin die Länge zumindest eines Teils des Abschnitts (16) der Wabenstruktur, auf dem die Katalysatorschicht getragen wird, in Strömungsrichtung des Abgases kürzer ist als die Länge in gleicher Richtung des Abschnitts (17) der Wabenstruktur, auf dem die Adsorbensschicht getragen wird.

5. Adsorbens-Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die offene Frontfläche zumindest eines Teils des Abschnitts (16) der Wabenstruktur, auf dem die Katalysatorschicht getragen wird, größer ist als die offene Frontfläche des Abschnitts (17) der Wabenstruktur, auf dem die Adsorbensschicht getragen wird.

6. Adsorbens-Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die Adsorbensschicht eine Katalysatorkomponente enthält oder eine eine Katalysatorkomponente enthaltende Schicht darauf trägt.

7. Adsorbens-Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die Adsorbensschicht Zeolith als Hauptkomponente umfaßt.

8. Adsorbens-Katalysator nach Anspruch 7, worin der Zeolith ein Si/Al-Molverhältnis von 40 oder mehr aufweist.

9. Adsorbens-Katalysator nach Anspruch 7, worin der Zeolith zumindest ein Edelmetall enthält, das aus der aus Pt, Pd und Rh bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

10. Adsorbens-Katalysator nach Anspruch 7, worin der Zeolith zumindest ein Ion enthält, das aus den Ionen der Elemente der Gruppe IB des Periodensystems (Cu, Ag und Au) ausgewählt ist.

11. Adsorbens-Katalysator nach Anspruch 10, worin der Gehalt des Ions des Elements der Gruppe IB im Zeolith, bezogen auf das Al-Atom im Zeolith, 20% oder mehr beträgt.

12. Adsorbens-Katalysator nach Anspruch 10, worin der Zeolith weiters zumindest ein Ion enthält, das aus den Ionen von Mg, Ca, Sr, Ba, Y, La, Ti, Ce, Mn, Fe, Cr, Ni und Zn ausgewählt ist.

13. Adsorbens-Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, worin die Katalysatorschicht zumindest ein Edelmetall enthält, das aus Pt, Pd und Rh ausgewählt ist.

14. In einem Auspuffrohr vorgesehenes System zur Abgasreinigung, das umfaßt:

zumindest einen Adsorbens-Katalysator (21, 23) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, und

einen Katalysator, der eine Wabenstruktur (41, 42) und eine darauf getragene Katalysatorschicht umfaßt, die in Strömungsrichtung eines zu reinigenden Abgases auf der stromab gelegenen Seite des Adsorbens-Katalysators vorgesehen sind.

15. System nach Anspruch 14, das weiters umfaßt: einen Katalysator (41), der eine Wabenstruktur und eine darauf getragene Katalysatorschicht umfaßt, die in Strömungsrichtung des Abgases auf der stromauf gelegenen Seite vorgesehen sind.

16. System nach Anspruch 14, das weiters umfaßt: ein elektrisches Heizgerät (SO) das zwischen dem Adsorbens-Katalysator und dem Katalysator vorgesehen ist.

17. System nach Anspruch 15, das weiters umfaßt: ein elektrisches Heizgerät (50), das zwischen dem Adsorbens-Katalysator und dem Katalysator und/oder an der weiter stromauf befindlichen Seite des Katalysators vorgesehen ist, der in Strömungsrichtung des Abgases auf der stromauf gelegenen Seite des Adsorbens-Katalysators angeordnet ist.

18. System nach einem der Ansprüche 14 bis 17, worin das zu reinigende Abgas ungleichmäßig und auf solche Weise hindurchtritt, daß die Strömungsmenge des Abgases in dem Abschnitt des Adsorbens-Katalysators, auf dem die Katalysatorschicht getragen wird, größer wird als die Strömungsmenge des Abgases in dem Abschnitt des Adsorbens-Katalysators, auf dem die Adsorbensschicht getragen wird.

19. System nach einem der Ansprüche 14 bis 18, das weiters umfaßt:

zumindest ein Adsorbens (31), das an der stromauf gelegenen Seite des Katalysators (41, 42) vorgesehen ist, der in Strömungsrichtung des Abgases auf der stromab gelegenen Seite des Adsorbens-Katalysators (21, 23) angeordnet ist, wobei das Adsorbens (31) umfaßt:

eine Wabenstruktur (15) mit einer großen Anzahl an durch Trennwände voneinander getrennten parallelen Durchgängen und

eine Adsorbensschicht mit Kohlenwasserstoff-Adsorptionsvermögen, die zumindest auf einem Teil der Wabenstruktur getragen wird,

worin zumindest ein inaktiver Durchblas-Abschnitt (18) in der Wabenstruktur ausgebildet ist, wodurch die Wabenstruktur das Hindurchblasen von Abgas durch den Durchblas-Abschnitt und durch den das Adsorbens tragenden Abschnitt ermöglicht.

20. Verfahren zur Abgasreinigung unter Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 14 bis 19, welches umfaßt: das Adsorbierenlassen des Abgases, insbesondere der Kohlenwasserstoff-Komponenten, die während des Kaltstarts eines Verbrennungsmotors erzeugt werden, von der Adsorbensschicht des Adsorbens-Katalysators (21, 23) oder des Adsorbens (31) des Systems; das Desorbieren der adsorbierten Komponenten von der Adsorbensschicht, wenn die Temperatur der Adsorbensschicht durch das Abgas erhöht wird; für einen Zeitraum zwischen Adsorption und Desorption: die Zufuhr eines Oxidationsgases zum Abgas oder das Einstellen des Verhältnisses der Mengen der Luft für die Verbrennung und der Treibstoffzufuhr, um einen Sauerstoff-Überschuß im Abgas zu erzeugen und die desorbierten Kohlenwasserstoffe zu verbrennen, auf der Katalysatorschicht des Adsorbens-Katalysators (21, 23) oder Katalysators (41, 42) des Systems.