DE69830267T2

DE69830267T2 - Motor mit System zur Abgasreinigung

Info

Publication number: DE69830267T2
Application number: DE69830267T
Authority: DE
Inventors: Akira Nagoya-city Aichi-pref. Takahashi; Naomi Ichinomiya-city Aichi-pref. Noda; Takuya Nagoya City Aichi-pref. Hiramatsu; Yukinari Kounan-city Aichi-pref. Shibagaki
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1997-03-26
Filing date: 1998-03-25
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2018-03-26
Also published as: US6171557B1; CA2233114A1; JP3842862B2; EP0867218A2; EP0867218A3; CA2233114C; JPH10263364A; DE69830267D1; EP0867218B1

Description

Hintergrund der Erfindung
(1) Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor mit einem System zur Abgasreinigung, das die im Abgas, das vom Verbrennungsmotor ausgestoßen wird, enthaltenen Schadstoffe, insbesondere dabei die vom Motor während des Kaltstarts in großer Menge ausgestoßenen Kohlenwasserstoffe, wirksam reinigen kann.
(2) Beschreibung der verwandten Technik
Bis dato wurden aktive Untersuchungen und Entwicklungen in Zusammenhang mit Systemen zur Abgasreinigung realisiert, die zur Reinigung von im Abgas von Automotoren vorhandenen Schadstoffen wie zum Beispiel Stickstoffoxiden (NO_x), Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffen (KW) und dergleichen verwendet werden. In den letzten Jahren wurden, da die Abgasbestimmungen strenger überwacht wurden, die Reinigung von KW während des Motorstarts (Kaltstarts) zu einer wichtigen technischen Aufgabe.
Der Grund dafür lautet wie folgt: Während des Kaltstarts eines Motors erreicht, wenn die Temperatur des Abgases vom Motor niedrig ist, der im Auspuffrohr des Motors angeordnete Katalysator seine Anspringtemperatur nicht und weist nur eine geringe Reinigungsfähigkeit auf. Darüber hinaus wird in dieser Zeit im Vergleich zur Zeitspanne während des kontinuierlichen Betriebs des Motors eine große Menge an KW vom Motor ausgestoßen. Daraus ergibt sich, dass der während des Kaltstarts ausgestoßene KW einen großen Anteil an den insgesamt vom Motor ausgestoßenen Schadstoffen einnimmt und entfernt werden muss.
Als ein Mittel, um diese oben erwähnte technische Aufgabe zu erfüllen, wurde ein System zur Abgasreinigung vorgeschlagen, das im Auspuffrohr eines Verbrennungsmotors angeordnet ist und nicht nur einen Katalysator sondern auch einen Zeolithen (als Adsorbens) mit einer KW-Adsorptionsfähigkeit umfasst. In diesem System wird der Zeolith auch zur Adsorption einer großen Menge des unverbrannten KW verwendet, der vom Motor während des Kaltstarts ausgestoßen wird, temporär während der Zeitspanne zwischen dem Beginn der Katalysator-Erwärmung bis zu seiner Aktivierung.
Im obigen System zur Abgasreinigung unter Verwendung eines Zeolithen variiert dessen Leistung abhängig von der KW-Adsorptionskapazität auf dem verwendeten Zeolithen stark. Auch variiert die Menge an KW, die vom Verbrennungsmotor während des Kaltstarts ausgestoßen wird, abhängig vom verwendeten Motor stark. Daraus ergibt sich, dass die Leistung eines Systems zur Abgasreinigung unter Verwendung eines Zeolithen mit einer gewissen KW-Adsorptionskapazität abhängig vom Motor, in welchem das System verwendet wird, stark variiert. Somit ist, damit eine große Menge an KW, der vom Motor während dessen Kaltstarts ausgestoßen wird, wirksam adsorbiert und gereinigt werden kann, erforderlich, dass das im Motor angeordnete System zur Abgasreinigung einen Zeolithen mit einer Adsorptionsfähigkeit umfassen kann, um somit eine wirksame Adsorption des vom Motors während einer gewissen Zeitspanne des Kaltstarts ausgestoßenen KW zu ermöglichen.
Es ist aber kaum ein System zur Abgasreinigung bekannt, in welchem in ausreichender Weise die Beziehung zwischen der Menge an während des Kaltstarts ausgestoßenen KW und der KW-Adsorptionskapazität des Zeolithen berücksichtigt wird.
EP-A-661098 beschreibt ein System zur Abgasreinigung eines Motors mit einer Wabenstrukturhalterung für einen Zeolithen (z.B. ZSM-5) und einen Katalysator (z.B. Al₂O₃.CeO₂, das ein Edelmetall trägt).
Zusammenfassung der Erfindung
Hinsichtlich der obigen Situation ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Motor mit einem System zur Abgasreinigung bereitzustellen, worin die Adsorptionskapazität des als KW-Adsorptionsmittelkomponente verwendeten Zeolithen gegenüber der während einer gewissen Periode des Kaltstarts von einem Motor abgestoßenen Menge an KW optimiert und dadurch der KW wirksam adsorbiert und gereinigt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verbrennungsmotor bereitgestellt, wie er in jedem der Ansprüche 1, 2 und 3 dargelegt ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus des Systems zur Abgasreinigung, das in den Beispielen verwendet wird.
2 ist eine schematische Darstellung der zur Messung der Toluol-Sättigungsadsorption des Zeolithen verwendeten Vorrichtung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Im System zur Abgasreinigung, das im Motor gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, will man erreichen, dass die Adsorptionskapazität des als KW-Adsorptionsmittelkomponente verwendeten Zeolithen, d.h. das Volumen der zur Adsorption von KW fähigen Poren des Zeolithen, gegenüber der Menge an KW, die während einer gewissen Zeitspanne ab dem Motorstart ausgestoßen wird, optimiert wird, so dass das System eine verbesserte KW-Adsorptionsfähigkeit und Reinigungsfähigkeit aufweisen kann.
Im ersten System zur Abgasreinigung im Motor gemäß der vorliegenden Erfindung soll die folgende Bedingung erfüllt werden:
a/c = 3 bis 50 cm³/g, vorzugsweise 5 bis 40 cm³/g und insbesondere 10 bis 30 cm³/g
worin a das Gesamtvolumen der Poren mit einem Durchmesser von 1 nm oder weniger ist, die der Zeolith als Messergebnis unter Verwendung von N₂ umfasst, und c die Gesamtmenge der Kohlenwasserstoffe ist, die vom Motor während eines Zeitraums von 140 Sekunden ab dem Start des Motors ausgestoßen wird, wenn der Motor in Übereinstimmung mit dem LA4-Modus des FTP betrieben wird.
Versuche, die von der Erfindern der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurden, zeigten, dass das System mit der Konfiguration zur Erfüllung der obigen Bedingung von a/c sehr wirksam den vom Verbrennungsmotor während des Kaltstarts ausgestoßenen KW zu adsorbieren und zu reinigen.
Ist a/c kleiner als 3 cm³/g, so kann der Zeolith im System den in einer großen Menge während des Kaltstarts von einem Verbrennungsmotor ausgestoßenen KW nicht ausreichend. adsorbieren. Ist aber a/c größer als 50 cm³/g, so nimmt der Zyklus "KW-Adsorption auf dem Zeolithen → KW-Desorption vom Zeolithen → Reinigung des desorbierten KW durch den Katalysator" eine zu lange Zeitspanne in Anspruch; in dem Fall, dass der Motor in seinem tatsächlichen Betrieb vor Abschluss dieses Zyklus angehalten wird, bleibt der auf dem Zeolithen adsorbierte KW undesorbiert; wird ein solcher Motorbetrieb wiederholt, so werden die Poren des Zeolithen mit KW gesättigt, wodurch die Adsorption von frisch ausgestoßenem KW unmöglich wird.
Weiters ist, wenn a/c größer als 50 cm³/g ist, die Menge an verwendetem Zeolithen groß, wodurch sich auch die Kosten erhöhen; zusätzlich dazu vergrößert sich auch das Volumen des zum Tragen des Zeolithen verwendeten Trägers, was zu einem Problem bei der Montage des resultierenden Systems in einem Motor führt. Darüber hinaus kommt es, wenn eine zu große Menge eines Zeolithen auf einem Träger (z.B. einem monolithischen Träger) aufgeladen wird, zu einem hohen Druckverlust. Wird z.B. ein Durchblasloch im monolithischen Träger ausgebildet, um den hohen Druckverlust zu verhindern, wie dies noch nachfolgend ausgeführt wird, so findet der Fluss an Abgasen vorrangig im Durchblasloch statt, und die Menge an Abgas, die durch den getragenen Zeolith-Abschnitt strömt, wird gering, was zu einer reduzierten KW-Adsorption führt.
Zur Spezifizierung der obigen Bedingung von a/c im ersten System zur Abgasreinigung wurde als c die Gesamtmenge der Kohlenwasserstoffe, die vom Motor während eines Zeitraums von 140 Sekunden ab dem Start des Motors ausgestoßen wird, wenn der Motor in Übereinstimmung mit dem LA4-Modus des FTP betrieben wird, angenommen. Der Grund dafür ist wie folgt: Im FTP-Test (LA4-Modus), der zur strengeren Ausstoßungsregelung in den USA durchgeführt wird, werden 70-80 % der KW-Ausstoßung insgesamt, die mit einem herkömmlichen Drei-Wege-Katalysator nicht gereinigt werden können, während des Kaltstarts eines Motors während einer Zeitspanne von 140 Sekunden ab dem Start des Motors, d.h. innerhalb des ersten Bergs des Bag-1, ausgestoßen; somit stellt die Reduktion des in diesem Zeitrahmen ausgestoßenen KW eine wichtige Aufgabe bei der Abgasreinigung dar.
Im ersten System zur Abgasreinigung wurde N₂ zur Messung des. Porenvolumens des Zeolithen verwendet. Der Grund dafür ist, dass N₂ selbst in die kleinsten Poren mit einem Durchmesser von etwa 0,35 nm bei einer Temperatur von flüssigem Stickstoff eindringen kann, und somit es unter Verwendung von N₂ möglich ist, das Volumen von Poren, einschließlich dabei von kleinen Poren, in welche nur Moleküle von kleinen Kohlenwasserstoffen (z.B. C_2-3-Kohlenwasserstoffe) von den insgesamt im Abgas enthaltenen Kohlenwasserstoffen eindringen können, zu messen.
Weiters wurden im ersten System zur Abgasreinigung die Zeolithporen mit einem Durchmesser von 1 nm oder weniger gemessen. Der Grund dafür ist, dass die Zeolithporen mit einem größeren Durchmesser als 1 nm anders als die Zeolithporen mit einem Durchmesser von weniger als 1 nm KW wie Toluol oder dergleichen in einem Gas (z.B. einem Abgas von einem Auto), das N₂ und CO₂ als Hauptkomponenten umfasst und worin KW in einer geringen Menge von 1 % oder weniger enthalten ist und die Konzentration der zu adsorbierenden Substanzen gering ist, nicht wirksam adsorbieren können.
Als nächstes folgt eine Beschreibung des zweiten Systems zur Abgasreinigung eines Motors gemäß der vorliegenden Erfindung. Im zweiten System zur Abgasreinigung wurde die folgende Bedingung festgelegt:
b/c = 2 bis 30 cm³/g, vorzugsweise 2 bis 20 cm³/g und insbesondere 5 bis 20 cm³/g
worin b das Gesamtvolumen der Poren mit einem Durchmesser von 1 nm oder weniger ist, die der Zeolith als Messergebnis unter Verwendung von Toluol umfasst, und c die Gesamtmenge der Kohlenwasserstoffe ist, die vom Motor während eines Zeitraums von 140 Sekunden ab dem Start des Motors ausgestoßen wird, wenn der Motor in Übereinstimmung mit dem LA4-Modus des FTP betrieben wird.
Versuche, die von der Erfindern der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurden, zeigten, dass das System mit der Konfiguration zur Erfüllung der obigen Bedingung von b/c, ähnlich wie das erste System zur Abgasreinigung, sehr wirksam den vom Verbrennungsmotor während des Kaltstarts ausgestoßenen KW zu adsorbieren und zu reinigen. Weicht b/c vom obigen Rahmen ab, so ergeben sich dieselben Probleme wie im ersten System zur Abgasreinigung.
Zur Spezifizierung der obigen Bedingung von b/c im zweiten System zur Abgasreinigung wurde als c die Gesamtmenge der Kohlenwasserstoffe, die vom Motor während eines Zeitraums von 140 Sekunden ab dem Start des Motors ausgestoßen wird, wenn der Motor in Übereinstimmung mit dem LA4-Modus des FTP betrieben wird, angenommen. Der Grund dafür ist derselbe wie beim ersten System zur Abgasreinigung.
Toluol wurde zur Messung des Porenvolumens des Zeolithen verwendet. Der Grund dafür ist, dass es durch die Verwendung von Toluol möglich ist, das Volumen der Poren mit relativ großem Durchmesser zu messen, die von verschiedenen im Abgas des Motors vorhandenen Kohlenwasserstoffen nur KW-Moleküle von Toluol (C₇) oder von größerer Größe [diese KW-Moleküle werden selbst im Abgas eines Motors, das Wasser (Feuchtigkeit) enthält, leicht adsorbiert, sind im Abgas von einem Motor in einer großen Menge enthalten und stellen ein Hauptziel der Adsorption durch ein Adsorbens dar] adsorbieren können. Kleine KW-Moleküle (z.B. C_2-3-KW-Moleküle) werden im Wesentlichen auf einem herkömmlichen Zeolithen im Abgas von einem Motor, das Wasser (Feuchtigkeit) enthält, nicht adsorbiert, und ihre Konzentration im Abgas während des Kaltstarts ist relativ gering; somit wird im zweiten System zur Abgasreinigung beabsichtigt, relativ große KW-Moleküle, wie bereits erwähnt, zu ad sorbieren. Weiters werden im zweiten System zur Abgasreinigung die Zeolithenporen mit einem Durchmesser von 1 nm oder weniger gemessen. Dies stellt denselben Grund wie im ersten System zur Abgasreinigung dar.
Nachfolgend ist eine Beschreibung des dritten Systems zur Abgasreinigung eines Motors gemäß der vorliegenden Erfindung gegeben. Im dritten System zur Abgasreinigung gelten die folgenden Bedingungen:
a/c = 3 bis 50 cm³/g, vorzugsweise 5 bis 40 cm³/g, insbesondere 10 bis 30 cm³/g
b/c = 2 bis 30 cm³/g, vorzugsweise 2 bis 20 cm³/g, insbesondere 5 bis 20 cm³/g
worin a das Gesamtvolumen der Poren mit einem Durchmesser von 1 nm oder weniger ist, die der Zeolith als Messergebnis unter Verwendung von N₂ umfasst, worin b die Gesamtmenge der Poren mit einem Durchmesser von 1 nm oder weniger ist, die der Zeolith als Messergebnis unter Verwendung von Toluol umfasst, und worin c die Gesamtmenge der Kohlenwasserstoffe ist, die vom Motor während eines Zeitraums von 140 Sekunden ab dem Start des Motors ausgestoßen wird, wenn der Motor in Übereinstimmung mit dem LA4-Modus des FTP betrieben wird.
Das dritte System zur Abgasreinigung weist sowohl das Merkmal des ersten Systems zur Abgasreinigung als auch das Merkmal des zweiten Systems zur Abgasreinigung auf. Im dritten System zur Abgasreinigung kann somit der darin verwendete Zeolith günstigerweise nicht nur KW mit relativ kleinen Molekülen sondern auch KW mit großen Molekülen adsorbieren und zeigt eine exzellente Adsorptionsfähigkeit insbesondere für den KW mit großen Molekülen (Toluol und größerer KW), der im Abgas in einer großen Menge enthalten ist.
Der als Adsorptionsmittelkomponente im ersten bis dritten System zur Abgasreinigung verwendete Zeolith ist in einem Auspuffrohr vorzugsweise in der Form eines Adsorbens angeordnet, das einen monolithischen Träger und einen darauf getragenen Zeolithen umfasst. Der im erste bis dritten System zur Abgasreinigung verwendete Katalysator ist vorzugsweise ein Katalysator, der einen monolithischen Trä ger und eine auf dem Träger getragene Katalysatorschicht umfasst, die eine Katalysatorkomponente mit einer Reinigungsfähigkeit für die im Abgas enthaltenen Schadstoffe aufweist. Der monolithische Träger wird im Allgemeinen als Wabenstruktur bezeichnet und bezieht sich auf eine Struktur mit Durchgängen (Zellen), die von im Wesentlichen gleichmäßigen Trennwänden umgeben ist. Der monolithische Träger besteht in Hinblick auf Wärmebeständigkeit und Schlagbiegefestigkeit vorzugsweise aus Cordierit, Mullit oder Edelstahl vom Ferrit-Typ.
Der das Adsorbens bildende monolithische Träger weist ein Volumen von vorzugswiese 0,5-4 l, noch mehr bevorzugt 1-3 l und insbesondere 1-2 l auf. Ist das Volumen des monolithischen Trägers geringer als 0,5 P, so ist die Zeitspanne, während welcher der auf dem monolithischen Träger getragene Zeolith mit einem Abgas in Kontakt ist, kurz, und die Adsorption von KW auf dem Zeolith wird eher unzureichend. Ist aber das Volumen des monolithischen Trägers größer als 4 l, so ergibt sich bei der Aufnahme des resultierenden Adsorbens in einem Auspuffrohr ein Problem.
Der das Adsorbens bildende monolithische Träger weist auch eine geometrische Oberflächenfläche (GSA) von vorzugsweise 10.000 bis 100.000 cm², noch bevorzugter 20.000 bis 100.000 cm² und insbesondere 20.000 bis 70.000 cm² auf. Ist die geometrische Oberflächenfläche des monolithischen Trägers kleiner als 10.000 cm², so weist das resultierende Adsorbens eher eine unzureichende Adsorptionsfähigkeit für KW auf. Ist die geometrische Oberflächenfläche aber größer als 100.000 cm², so ergeben sich Probleme in Zusammenhang mit Druckverlust, Schlagbiegefestigkeit etc.
Der als Adsorptionsmittelkomponente verwendete Zeolith kann ein natürliches oder ein synthetisches Produkt sein, und es gibt keinerlei Einschränkungen in Bezug auf seine Art. Es wird aber ein Zeolith mit einem Molverhältnis von SiO₂/Al₂O₃ von 50 oder mehr aus Gründen der Wärmbeständigkeit, Haltbarkeit und Hydrophobie bevorzugt. Spezifisch wird zumindest eine aus ZSM-5, β-Zeolith, USY und Mordenit ausgewählte Art als Adsorptionsmittelkomponente bevorzugt.
Der Zeolith kann in einer Art oder in einer Kombination von zwei oder mehr Arten verwendet werden. So ist z.B. ZSM-5 mit relativ kleinen Poren von etwa 0,55 nm für die Adsorption von kleinen Molekülen (z.B. Propen) geeignet, aber für die Adsorption von großen Molekülen (z.B. Toluol und Xylol) ungeeignet. Im Gegensatz dazu ist USY mit relativ großen Poren von etwa 0,74 nm für die Adsorption von kleinen Molekülen (z.B. Propen) geeignet, aber für die Adsorption von großen Molekülen (z.B. Toluol und Xylol) ungeeignet.
Somit stellt das Tragen von ZSM5 und USY in einem Gemisch auf einem monolithischen Träger einen bevorzugten Ansatz dar. Weiters können ZSM-5 und USY auf einem monolithischen Träger in den jeweiligen Bereichen in die Strömungsrichtung des Abgases ausgerichtet getragen werden. In diesem Fall wird bevorzugt, dass ZSM-5 stromauf von USY getragen wird, da ZSM-5 KW bis zu höheren Temperaturen adsorbieren und halten kann als USY.
β-Zeolith ist der am meisten bevorzugte Zeolith, weil (1) er bimodale Poren von etwa 0,55 nm und etwa 0,70 nm aufweist und somit sowohl kleine Moleküle als auch große Moleküle relativ gut adsorbieren kann und (2) weil er eine relativ große Menge KW pro Gewichtseinheit adsorbieren kann.
Der Zeolith kann als Adsorptionsmittelkomponente selbst verwendet werden, aber um ein Verkoken auf dem Zeolith zu unterdrücken, das zum Zeitpunkt der Adsorption stattfindet, wird vorzugsweise zumindest ein aus Pt, Pd und Rh ausgewähltes Edelmetall auf dem Zeolithen getragen, weil somit eine Regeneration des Zeolithen ohne gleichzeitige Reduzierung der Adsorptionsfähigkeit des Zeolithen möglich ist. Das bevorzugte auf dem Zeolith getragene Edelmetall ist das billigste und stellt die höchste Regenerationsfähigkeit des Zeolithen bereit.
Das Tragen eines Edelmetalls auf dem Zeolith erfolgt in Hinblick auf die Wärmestabilität des auf dem Zeolithen getragenen Edelmetalls vorzugsweise mittels Ionenaustausch. Die Menge an getragenem Edelmetall beträgt hinsichtlich der Kosten des Edelmetalls und der Regenerationsfähigkeit des Zeolithen vorzugsweise 5-150 g/ft³ pro Volumeneinheit des Trägers. Wird ein Zeolith auf einem monolithischen Träger getragen, so kann der Zeolith gegebenenfalls 5-20 Gew.-% eines anorganischen Bindemittels wie Al₂O₃, SiO₂ oder dergleichen enthalten, wobei der Zeolith stark auf dem Träger getragen werden kann, ohne dass dabei die KW-Adsorptionsfähigkeit des Zeolithen davon Schaden trägt.
Wird ein Edelmetall auf einem Zeolithen getragen, so verleiht das Edelmetall dem Zeolithen, wie bereits zuvor erwähnt, Regenerationsfähigkeit und weist somit weiters katalytische Wirkung auf. Das Edelmetall im Zeolithen neigt aber dazu, Kohäsion hervorzurufen und kann über eine unzureichende Haltbarkeit des Katalysators verfügen. Somit ist, wenn dem Zeolithen eine katalytische Wirkung verliehen werden soll, erwünscht, dass (1) der Zeolith eine Katalysatorkomponente enthalten kann, die ein wärmebeständiges Oxid und ein darauf getragenes Edelmetall umfasst (diese Katalysatorkomponente ist dieselbe, wie sie im später beschriebenen Katalysator verwendet wird), oder dass (2) auf einer Zeolithschicht eine Schicht ausgebildet wird, welche die obige Katalysatorkomponente enthält. (Hierin wird nachfolgend das Adsorbens, das dadurch erhalten wird, dass ein Zeolith eine Katalysatorkomponente mit einer Reinigungsfähigkeit für die im Abgas eines Motors enthaltenen Schadstoffe enthalten kann, oder dass auf einer Zeolithschicht eine Schicht ausbildet wird, die eine Katalysatorkomponente mit einer Reinigungsfähigkeit für die im Abgas eines Motors enthaltenen Schadstoffe enthält, in manchen Fällen als "Adsorbens-Katalysator" bezeichnet.)
Das obige Adsorbens kann, da es eine haltbare Katalysatorkomponente enthält, Reinigungsfähigkeit für die im Abgas eines Motors enthaltenen Schadstoffe zeigen, selbst während des Dauerbetriebs des Motors nach dem Kaltstart. Da die obige Katalysatorkomponente das Verkoken des Zeolithen unterdrücken kann, ist es nicht erforderlich, getrennt dazu zum Zeolithen ein Edelmetall zur Unterdrückung des Verkokungsvorgangs zuzugeben.
Vorzugsweise soll der Zeolith zumindest ein aus der Gruppe der IB-Elemente (Cu, Ag und Au) des Periodensystems ausgewähltes Ion enthalten können, da das Ion die KW-Adsorptionsfähigkeit des Zeolithen steigern kann. Der Ionengehalt im Zeolithen beträgt vorzugsweise 20 % oder mehr, noch mehr bevorzugt 40 % oder mehr bezogen auf das Al-Atom des Zeolithen, da mit einem geringen Ionengehalt der resultierende Anstieg der KW-Adsorptionsfähigkeit des Zeolithen gering ist. Das Ion kann im Zeolithen in einer beliebigen erwünschten Kombination mit dem oben erwähnten Edelmetall verwendet werden.
Erwünschterweise wird zumindest ein aus den Ionen von Mg, Ca, Sr, Ba, Y, La, Ti, Ce, Mn, Fe, Co, Cr, N und Zn ausgewähltes Ion und vorzugsweise zumindest aus den Ionen von Mg, Ca, Fe und Cr ausgewähltes Ion neben dem Ion aus der Gruppe der IB-Elemente Zeolithen zugegeben, da die Zugabe die Wärmbeständigkeit des Zeolithen verbessern kann.
Ein bevorzugtes Beispiel für den Adsorbens-Katalysator, worin eine Schicht, die eine Katalysatorkomponente enthält, auf einer Zeolithschicht ausgebildet wird, ist ein vielschichtiger Adsorbens-Katalysator, der dadurch erhalten wird, dass auf einem monolithischen Träger hoher Siliziumdioxid-Zeolith (z.B. ZSM-5, USY oder β-Zeolith) als erste Schicht und darauf ein auf einem Edelmetall getragenes Al₂O₃-CeO₂-Verbundoxid als zweite Schicht ausgebildet wird.
In einem solchen vielschichtigen Adsorbens-Katalysator wirkt das Al₂O₃ (das eine Hauptkomponente der zweiten Schicht darstellt) als Vortrockner und adsorbiert selektiv das im während des Kaltstart eines Motors abgegeben Abgas enthaltene H₂O und verstärkt dadurch die KW-Adsorptionsfähigkeit der ersten Schicht. Weiters nimmt mit einem Anstieg der Abgastemperatur das Erwärmen des Adsorbens-Katalysators von der die Katalysatorkomponente enthaltenen zweiten Schicht (der äußersten Schicht) aus seinen Anfang, und zum Zeitpunkt der Desorption des adsorbierten KW durch die Zeolithkomponente der ersten Schicht zeigt die Katalysatorkomponente der zweiten Schicht ihre vorteilhafte Wirkung. Nebenbei wird die katalytische Wirkung der zweiten Schicht zum obigen Zeitpunkt der KW-Desorption beträchtlich durch die Zugabe eines Oxidationsgases oder durch die Regelung des Volumenverhältnisses von Luft für die Verbrennung und von Treibstoff erhöht, um die Zusammensetzung des Abgases sauerstoffreich zu machen.
Der Adsorbens-Katalysator wirkt selbst dann relativ vorteilhaft, wenn die auf dem Edelmetall getragene Katalysatorkomponente und ein Zeolith auf einem monolithischen Träger in einem Gemisch und nicht in einer Schicht getragen werden. Das Gewichtsverhältnis von Zeolith und Katalysatorkomponente beträgt 50:50 bis 85:15, und die Menge an Zeolith ist vorzugsweise größer als die Menge der Katalysatorkomponente. Die bevorzugte Menge, die auf dem monolithischen Träger getragen werden soll, beträgt 0,05-0,4 g/cm³ (Zeolith) und 0,02-0,20 g/cm³ (Katalysatorkomponente).
Es wird bevorzugt, dass (1) das Adsorbens einen Abschnitt mit niedrigem Druckverlust aufweisen soll, indem die Länge oder die Porosität eines Teils des Adsorbens geändert wird, oder (2) im Adsorbens ein Durchblasloch mit einem größeren Durchmesser als die Durchmesser der Durchgänge (Zellen) des monolithischen Trägers ausgebildet wird, um somit zu ermöglichen, dass ein Teil des Abgases durch das Loch hindurchbläst, da (1) oder (2) das Erwärmen des stromabwärts des Adsorbens gelegenen Katalysators beschleunigen und die Reinigungseffizienz des desorbierten KW verstärken.
Der Durchmesser des Durchblaslochs beträgt in Hinblick auf die Festigkeit des Trägers vorzugsweise 50 mm oder weniger; der Durchmesser beträgt vorzugsweise 40 mm oder weniger, um die Reduktion der KW-Adsorption, die durch das Durchblasen einer überschüssigen Menge an Abgas bewirkt wird, zu unterdrücken. Im Gegensatz dazu ist, wenn der Durchmesser des Durchblaslochs zu gering ist, das Erwärmen des stromabwärts des Adsorbens bereitgestellten Katalysators unzureichend. Somit beträgt der Durchmesser vorzugsweise 10 mm oder mehr.
Der im vorliegenden System zur Abgasreinigung verwendete Katalysator zur vorteilhaften Entfernung der Schadstoffe (z.B. HC, CO und NO_x), die von einem Verbrennungsmotor ausgestoßen werden, umfasst vorzugsweise als Katalysatorkomponenten zumindest ein aus Pt, Pd und Rh ausgewähltes Edelmetall und ein wärmebe ständiges Oxid mit einem darauf getragenen Edelmetall. Der Katalysator umfasst vorzugsweise einen monolithischen Träger aus einer wärmebeständigen, anorganischen Substanz und eine Katalysatorschicht, welche die obigen Katalysatorkomponenten enthält und auf dem monolithischen Träger getragen wird.
Das wärmebeständige Oxid, das zum Tragen eines Edelmetalls darauf verwendet wird, umfasst wärmebeständige Oxide wie z.B. Al₂O₃, SiO₂, TiO₂, ZrO₂ und dergleichen und Verbundoxide davon. Insbesondere wird Al₂O₃ mit einer spezifischen Oberflächenfläche von 100 m²/g oder mehr bevorzugt, da ein Edelmetall darauf in einem stark dispergierten Zustand getragen wird und eine höhere Niedrigtemperatur-Anspringleistung sowie eine bessere Wärmbeständigkeit erhalten werden. Die Zugabe von 5-30 Gew.-% eines Oxids mit Sauerstoffspeicherfähigkeit wie CeO₂, La₂O₃, CeO₂-ZrO₂ oder dergleichen zum wärmebeständigen Oxid wird bevorzugt, da eine höhere Daueraktivität erreicht wird. Die Gesamtmenge Edelmetall im Katalysator beträgt vorzugsweise 700-10.500 g/m³ (20-300 g/ft³) (Träger).
Im System zur Abgasreinigung des Motors gemäß der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt, dass zumindest ein solcher Katalysator stromab des obig angeführten Adsorbens angeordnet ist. Der stromab des Adsorbens angeordnete Katalysator enthält vorzugsweise Pt und/oder Pd mit jeweils hoher Oxidierbarkeit, insbesondere vorzugsweise Pd, das eine bessere Niedrigtemperatur-Anspringleistung aufweist. Die Bildung nur einer Katalysatorschicht, die 1.400-8.750 g/m³ (40-250 g/ft³) Pd enthält, auf einem monolithischen Träger stellt ein bevorzugtes Beispiel für einen Katalysator dar.
Das Volumenverhältnis des stromabwärts des Adsorbens angeordneten Katalysators, d.h. des stromab gelegenen Katalysators, und das Volumen des Adsorbens beträgt vorzugsweise 1:1 bis 1:15. Ist das Volumen des Adsorbens geringer als des Volumen des stromab gelegenen Katalysators, so ist die Wärmekapazität des stromab gelegenen Katalysators größer als jene des Adsorbens und demzufolge ist der Temperaturanstieg des stromab gelegenen Katalysators langsam. Ist das Volumen des Adsorbens größer als das 15fache des Volumens des stromab gelegenen Katalysa tors, so wirkt das stromauf angeordnete Adsorbens als Wärmesenke, und ein Temperaturanstieg des stromab gelegenen Katalysators wird verhindert.
Im vorliegenden System zur Abgasreinigung wird bevorzugt, dass neben dem stromab gelegenen Katalysator zumindest ein Katalysator stromauf des Adsorbens angeordnet ist. Dieser stromauf angeordnete Katalysator enthält vorzugsweise Pd, das eine bessere Niedrigtemperatur-Anspringleistung aufweist, und die Gegenwart von Pd in einer relativ hohen Konzentration von 1.400-8.750 g/m³ (40-250 g/ft³) ist sehr wirksam.
Im vorliegenden System zur Abgasreinigung wird auch bevorzugt, dass zumindest ein elektrisches Heizgerät (hierin nachfolgend als "EH" bezeichnet) in einem Auspuffrohr angeordnet ist, um die frühe Aktivierung des Katalysators zu erreichen. Das EH besteht in Hinblick auf Druckverlust und Wärmebeständigkeit vorzugsweise aus einer Wabenstruktur aus einem wärmebeständigen Metall (z.B. Ferrit) und aus an der Wabestruktur zur Elektrifizierung befestigten Elektroden. Dieses EH wird vorzugsweise in der Form eines elektrisch heizbaren Katalysators (hierin nachfolgend als "EHC" bezeichnet) verwendet, der das EH und eine darauf ausgebildete Katalysatorschicht umfasst, aus einem wärmebeständigen, anorganischen Oxid, das ein Edelmetall enthält, da mit dem EHC die Elektrizität, die erforderlich ist, um das EH zu erhitzen, aufgrund der Reaktionswärme des Katalysators reduziert werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der EHC stromab des Adsorbens angeordnet, um die Reinigung des desorbierten KW zu fördern. Ist der EHC klein ausgeführt, so wird der Katalysator vorzugsweise stromab des EHC aber nahe dazu angeordnet, um die elektrisch erzeugte Wärme und die Reaktionswärme des EHC wirksam zu nützen.
Erfolgt die Abgasreinigung während des Kaltstarts des Motors unter Verwendung des vorliegenden Systems zur Abgasreinigung, wenn während einer gewissen Zeitspanne während des Kaltstarts ein Oxidationsgas (z.B. Sekundärluft) in das Abgas von einer Position stromauf des Katalysator eingeleitet wird oder wenn das Verhältnis der Menge an Luft für die Verbrennung und der Menge an Treibstoff geändert wird, um so die Sauerstoffmenge im Abgas zu vergrößern, so wird die Verbrennungsreaktion auf dem Katalysator unterstützt und es wird ein frühes Anspringen des Katalysators erreicht. Das obige Einleiten eines Oxidationsgases oder die obige Änderung des Verhältnisses der Menge an Luft für die Verbrennung und der Menge an Treibstoff für eine gesteigerte Sauerstoffzufuhr wird bevorzugt, da die KW-Konzentration im Abgas ansteigt und der für die Reinigung (Verbrennung) des KW erforderliche Sauerstoff knapp wird, wenn der auf dem Adsorbens adsorbierte KW beginnt, mit dem durch die Wärme des Abgases bewirkten Temperaturanstiegs desorbiert zu werden.
In der vorliegenden Erfindung sind jeweils ein System zur Abgasreinigung vom "Bypass-Typ" und ein System zur Abgasreinigung vom "In-Line-Typ" wirksam. Der Bypass-Typ ist einer, in welchem ein Adsorbens oder ein Adsorbens-Katalysator und ein Katalysator in einem Hauptauspuffrohr und ein Bypass-Rohr befestigt am Hauptauspuffrohr angeordnet sind, und der In-Line-Typ ist einer, in welchem ein Adsorbens oder ein Adsorbens-Katalysator und ein Katalysator in einem Auspuffrohr angeordnet sind. Der In-Line-Typ ist aber besonders wirksam, da der vom Adsorbens (oder dem Adsorbens-Katalysator) desorbierte KW effizient durch den Katalysator gereinigt werden muss.
In der vorliegenden Beschreibung wurde das Porenvolumen des Zeolithen durch eines der folgenden Verfahren gemessen. Wurden zwei oder mehr Arten von Zeolithen verwendet, so wurden die Porenvolumen der einzelnen Zeolithen getrennt durch eines der folgenden Verfahren gemessen und zusammengezählt.
Messung des Porenvolumens unter Verwendung von N₂
Das Gesamtvolumen der Poren mit einem Durchmesser von 1 nm oder weniger eines Zeolithen wurde auf der Grundlage der folgenden Formel bestimmt, wobei die N₂-Sättigungsadsorption des Zeolithen bei einer Temperatur von flüssigem Stickstoff (77K) verwendet wurde.
Porenvolumen (cm³/g) des Zeolithen unter Verwendung von N₂ gemessen = N₂-Sättingungsadsorption (g/g)/N₂-Dichte (0,808 g/cm³)
Darüber hinaus wurde die N₂-Sättigungsadsorption auf der Grundlage der folgenden Formel bestimmt, wobei die Gesamtoberflächenfläche des Zeolithen verwendet wurde, die unter Verwendung von Flowsorb 2300 (einem spezifischen Tester der Oberflächenfläche vom Hersteller Micromeritechs) gemessen wurde.
N₂-Sättigungsadsorption (g/g) = SxBxM/[(1-P/Ps)xAxsx-wxB]
worin:

S:: Gesamtoberflächenfläche (m²) des Zeolithen,
w:: Gewicht (g) des Zeolithen,
B:: 22.413 cm³ [Gasvolumen bei normaler Temperatur (0 °C) und normalem Druck (1 atm.)]
P/Ps:: Partialdruck von N₂ (P/Ps = 0,301 bei Messung in den folgenden Beispielen),
A:: Avogadrosche Zahl (6,023×10²³),
s:: molekulare Querschnittsfläche (16,2×10^-20), die vom N₂-Molekül bei einer Temperatur von flüssigem Stickstoff besetzt ist, und
M:: Molekulargewicht von N₂ (28,0134)

Messung des Porenvolumens unter Verwendung von Toluol
Es wurde die Toluol-Sättigungsadsorption eines Zeolithen bei 60 °C gemessen. Unter Verwendung des Werts wurde das Gesamtvolumen der Poren mit einem Durchmesser von 1 nm oder weniger, die der Zeolith umfasst, auf der Grundlage der folgenden Formel ermittelt:
Porenvolumen (cm³/g), das der Zeolith als Messergebnis unter Verwendung von Toluol umfasst = Toluol-Sättigungsadsorption (g/g)/Toluoldichte (0,866 g/cm³)
Dabei wurde die Toluol-Sättigungsadsorption entsprechend dem folgenden Verfahren gemessen.

(1) Ein Zeolith, dessen Porenvolumen unter Verwendung von Toluol zu messen ist, wurde auf einer Cordierit-Wabenstruktur [ein Produkt von NGK Insulators, Ltd. mit einer Trennwanddicke von 0,15 mm (6 mil), einer Zelldichte von 62 Zellen/cm² (400 Zellen/Zoll²) und einer Außengröße von 2,5 cm (1 Zoll) Durchmesser und einer Länge von 5 cm (2 Zoll)] in einer Menge von 0,16 g/cm³ der Wabenstruktur getragen.
(2) Unter Verwendung der in 2 dargestellten Vorrichtung wurde ein Mischgas, das 3 % Toluol und 97 % N₂ enthält, durch die auf dem Zeolith getragene Wabenstruktur, die wie oben hergestellt wurde, bei 60 °C mit einer Strömungsrate von 17 l/min hindurchgeschickt. In diesem Zustand wurden Toluol-Konzentrationen vor und nach dem Hindurchschicken des Mischgases durch die auf dem Zeolith getragene Wabenstruktur gemessen (P/Ps = 0,2 in der Messung der folgenden Beispiele). In 2 ist 16 ein Toluol-/N₂-Mischer, in welchem Toluol 14 als Lösungsmittel eingefüllt ist; 18 ist ein Gasmischer zur Erzeugung eines Gas mit einer erwünschten Zusammensetzung; 20 ist ein Heizgerät zur Regelung der Temperatur des erzeugten Gases; 22 ist eine auf Zeolith getragene Wabenstruktur; 24 ist ein Analysator; und 26 ist ein Computer.
(3) Die Messung der Toluol-Konzentrationen wurde 5 Minuten, nachdem die Toluol-Konzentration nach dem Hindurchschicken des Mischgases durch die auf dem Zeolith getragene Wabenstruktur dieselbe wurde wie jene vor dem Hindurchschicken des Mischgases durch die auf dem Zeolith getragene Wabenstruktur, abgeschlossen.
(4) Unter Verwendung der Toluol-Konzentration A (ppmC) vor dem Hindurchschicken des Mischgases durch die auf dem Zeolith getragene Wabenstruktur und der Toluol-Konzentration B (ppmC) nach dem Hindurchschicken des Mischgases durch die auf dem Zeolith getragene Wabenstruktur wurde die Toluol-Sättigungsadsorption auf der Grundlage der folgenden Formel ermittelt:

In der obigen Messung des Porenvolumens des Zeolithen unter Verwendung von N₂ oder Toluol ist das erhaltene Porenvolumen genaugenommen geringfügig (etwa 1 % oder weniger) größer als das tatsächliche Porenvolumen, da N₂ oder Toluol auch auf der Oberfläche der Zeolithenteilchen adsorbiert werden. Aber zumindest etwa 99 des auf diese Weise erhaltenen Porenvolumens sind das echte Volumen der Poren mit einem Durchmesser von 1 nm oder weniger, und dementsprechend kann das erhaltene Porenvolumen im Wesentlichen als das Porenvolumen des Zeolithen betrachtet werden. Somit wurde der durch die obige Messung erhaltene Wert an sich als das Porenvolumen des Zeolithen verwendet. Somit P/Ps = 0,301 in Toluol und P/Ps = 0,2 in Toluol; somit wird berücksichtigt, dass keine Adsorption von KW zwischen den Zeolithteilchen erfolgt.
Die vorliegende Erfindung ist nachfolgend im Detail anhand von Beispielen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist aber nicht auf diese Beispiele beschränkt. Die Details über die verschiedenen Zeolithen, die in den folgenden Adsorbens und Adsorbens-Katalysatoren in den Beispielen verwendet werden, sind in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1
[Herstellung der Adsorbens]
Zu jedem der in Tabelle 1 gezeigten im Handel erhältlichen Zeolith-Pulver wurden ein Aluminiumoxid-Sol mit einem Aluminiumoxid-Feststoffgehalt von 2,5 Gew.-% und Wasser zugegeben. Das Gemisch wurde 20 Stunden lang einer Nasspulverisierung in einer Kugelmühle unterzogen, um eine Aufschlämmung herzustellen. In diese Aufschlämmung wurde eine Cordiert-Wabenstruktur, die von NGK Insulators, Ltd., wie in Tabelle 2 spezifiziert hergestellt wurde, getaucht, um die Wabenstruktur mit einer bestimmten Menge eines Zeolithen zu beschichten. Das resultierende Material wurde getrocknet und danach in Luft bei 550 °C gebrannt, um die in Tabelle 2 dargestellten Adsorbens 1 bis 8 zu erzeugen.
[Herstellung von Adsorbens-Katalysatoren]
Adsorbens wurden in einem ähnlichen Verfahren wie jenem, das obig beschrieben ist [Herstellung von Adsorbens], hergestellt. Auf jedem der Adsorbens wurde eine Katalysatorkomponente im folgenden Verfahren getragen, wodurch die Adsorbens-Katalysatoren 1 bis 8 hergestellt wurden, die jeweils einen monolithischen Träger, eine erste Schicht (Innenschicht) mit einer KW-Adsorptionsfähigkeit, die auf dem monolithischen Träger ausgebildet ist, und eine zweite Schicht (Außenschicht) mit einer Drei-Wege-Katalysatoraktivität, die auf der ersten Schicht ausgebildet ist, umfassen.
Zu einem im Handel erhältlichen γ-Al₂O₃ mit einer spezifischen Oberflächenfläche von 200 m²/g wurden Ceriumacetat und Ceriumoxid in einer Menge von 30 Gew.-% bezogen auf das Oxid zugegeben. Das resultierende Gemisch wurde nasspulverisiert, getrocknet und bei 550 °C kalziniert, um ein γ-Al₂O₃.CeO₂-Verbundoxid zu erhalten. Dieses Oxid wurde mit Pd unter Verwendung einer wässrigen (NH₄)₃PdCl₂-Lösung imprägniert. Das resultierende Material wurde getrocknet und danach bei 550 °C gebrannt, um ein auf Pd getragenes AI₂O₃.CeO₂-Verbundoxid (Katalysatorkomponente) zu erhalten. Zu diesem Verbundoxid wurden kleine Mengen an Wasser und Essigsäure zugegeben, um eine Aufschlämmung herzustellen. Jedes der oben hergestellten Adsorbens wurde in diese Aufschlämmung getaucht, damit die Adsorbens darauf die Katalysatorkomponente in einer Menge von 0,10 g/cm³ der Wabenstruktur tragen konnten. Das resultierende Material wurde bei 550 °C gebrannt, um die in Tabelle 3 dargestellten Adsorbens-Katalysatoren 1 bis 8 zu erhalten. Dabei betrug die auf Pd getragene Gesamtmenge 3.500 g/m² (100 g/ft³) der Wabenstruktur.
[Herstellung der Katalysatoren]
Ein im Handel erhältliches γ-Al₂O₃ mit einer spezifischen Oberflächenfläche von 200 m²/g wurde mit Pd oder Rh unter Verwendung einer wässrigen (NH₄)₃PdCl₂-Lösung oder einer wässrigen Rh(NO₃)₃-Lösung imprägniert. Das resultierende Material wurde getrocknet und danach bei 500 °C gebrannt, um ein auf Pd getragenes Al₂O₃-Pulver und ein auf Rh getragenes. Al₂O₃-Pulver zu erhalten. Zu jedem auf diesen Edelmetall getragenen Al₂O₃-Pulvern wurden kleine Mengen an Wasser und Essigsäure zugegeben, um eine Aufschlämmung herzustellen. Zum auf Pd getragenen Al₂O₃-Pulver wurden weiters 30 Gew.-% CeO₂ zugegeben. Jedes Gemisch wurde nasspulverisiert, um zwei Arten von Aufschlämmungen zu erzeugen, d.h. eine auf Pd getragene Al₂O₃-Aufschlämmung und eine auf Rh getragene Al₂O₃.CeO₂-Aufschlämmung. Von diesen wurde das auf Pd getragene Al₂O₃.CeO₂-Pulver auf eine Cordierit-Wabenstruktur, die von NGK Insulators, Ltd. hergestellt wurde (Durchmesser: 9,3 cm (3,66 Zoll), Volumen: 0,6 l, Trennwanddicke: 0,15 mm (6 mit), Zelldichte: 62 Zellen/cm² (400 Zellen/Zoll²)) in einer Menge von 0,10 g/cm³ der Wabenstruktur aufgebracht. Die getragene Wabenstruktur wurde bei 500 °C gebrannt, um einen Katalysator A (Pd-Katalysator) zu erhalten.
Auf dieselbe Weise wie bei der Herstellung des Katalysators A wurde die auf Pd getragene Al₂O₃.CeO₂-Aufschlämmung auf dieselbe Cordierit-Wabenstruktur aufgebracht. Darauf wurde die auf Rh getragene Al₂O₃-Aufschlämmung aufgetragen. Das resultierende Material wurde bei 500 °C gebrannt, um den Katalysator B (Pd-Rh-Katalysator) mit zwei Katalysatorschichten zu erhalten.
Der Katalysator C (Pt-Rh-Katalysator) mit zwei Katalysatorschichten wurde auf dieselbe Weise wie bei der Herstellung des Katalysators B hergestellt, nur dass (1) die auf Pd getragene Al₂O₃.CeO₂-Aufschlämmung durch eine auf Pt getragene Al₂O₃.CeO₂-Aufschlämmung ersetzt wurde, die unter Verwendung einer wässrigen H₂PtCl₂-Lösung erzeugt wurde, und dass (2) die Wabenstruktur durch eine Cordierit-Wabenstruktur, die von NKG Insulators, Ltd., hergestellt wurde (Durchmesser: 11,8 cm (4,66 Zoll), Volumen: 2,0 l, Trennwanddicke: 0,15 mm (6 mit), Zelldichte: 62 Zellen/cm² (400 Zellen/Zoll²), ersetzt wurde.
[Alterung der Adsorbens, Adsorbens-Katalysatoren und Katalysatoren]
Jedes/jeder der Adsorbens, Adsorbens-Katalysatoren und Katalysator, die oben erzeugt wurden, wurde in einem Auspuffrohr eines im Handel erhältlichen Motors an einer solchen Stelle des Auspuffrohrs angeordnet, wenn die Abgastemperatur am Einlass des Adsorbens, Adsorbens-Katalysators oder Katalysators 850 °C erreichte. Danach wurde der Motor insgesamt 100 Stunden lang in einem Modus der Treibstoffzufuhrunterbrechung betrieben, um das Adsorbens, den Adsorbens-Katalysator oder den Katalysator einer Alterung zu unterziehen. Der Modus der Treibstoffzufuhrunterbrechung war derart, dass der Motor 60 Sekunden lang nahe dem stoichiometrischem Punkt (L/T = 14,4) betrieben und dann die Treibstoffzufuhr 5 Sekunden lang unterbrochen wurde, um das Abgas treibstoffarm zu machen.
[Messung von KW, der vom Motor während einer Zeitspanne von 140 Sekunden ab dem Start des Motors ausgestoßen wird, wenn der Motor in einem LA4-Modus betrieben wird]
Für jedes der Testfahrzeuge des Testfahrzeugs A mit einem Motor vom L4-Typ mit 2.000 cm³ Hubraum und des Testfahrzeugs B mit einem Motor vom V6-Typ mit 3.800 cm³ Hubraum wurde die Menge an KW gemessen, die vom Motor während einer Zeitspanne von 140 Sekunden ab dem Start des Motors oder während Bag-1 ausgestoßen wurde, wenn der Motor in Übereinstimmung mit dem LA4-Modus des FTP betrieben wurde. In dieser Messung wurde im Auspuffrohr des Motors eine Cordierit-Wabenstruktur (Durchmesser: 118 mm, Länge: 200 mm) mit weder Zeolith noch einem Katalysator darauf getragen angeordnet, um zu ermöglichen, dass der während der Messung beobachtete Druckverlust jenem ähneln konnte, der auftritt, wenn die Systeme der Beispiele oder der Vergleichsbeispiele verwendet wurden. Die Messergebnisse sind in Tabelle 4 dargestellt. Tabelle 4
[Evaluierung der Systeme zur Abgasreinigung]
Im Auspuffrohr des Testfahrzeugs A oder des Testfahrzeugs B wurden der Katalysator B (4), ein Adsorbens oder Adsorbens-Katalysator (2), der Katalysator A (6) und der Katalysator C (8) in dieser Reihenfolge angeordnet, ausgehend von einem Punkt im Auspuffrohr, der vom Motorverteiler 600 mm (Testfahrzeug A) oder 1.000 mm (Testfahrzeug B) beabstandet ist, wie dies in 1 dargestellt ist, wodurch die Systeme zur Abgasreinigung der Beispiele 1-12 und der Vergleichsbeispiele 1-4 dargestellt wurden. Alle verwendeten Adsorbens, Adsorbens-Katalysatoren und Katalysatoren waren, wie bereits zuvor ausgeführt wurde, einer Alterung unterzogen worden. Sekundärlufteinlässe (10) und (12) wurde an Punkten des Auspuffrohrs 100 mm stromauf des Katalysators B (4) bzw. stromab des Katalysators B (4) ausgeführt.
Unter Verwendung einer Luftpumpe wurde Sekundärluft vom Sekundärlufteinlass (10) mit einer Geschwindigkeit von 80 l/min 70 Sekunden lang ab dem Start des 1 Motors und vom Sekundärlufteinlass (12) mit einer Geschwindigkeit von 50 l/min 180 Sekunden lang ab dem Zeitpunkt, an dem 70 Sekunden seit dem Start des Motors vergangen waren, eingeleitet. In diesem Zustand wurde ein Test gemäß des LA4-Modus des FTP der USA durchgeführt. Die in jedem System während des Bag-1 des FTP (kalte Übergangsperiode, 505 Sekunden ab Start des Motors) erhaltene KW-Ausstoßung ist in Tabelle 5 dargestellt.
Wie in Tabelle 5 gezeigt ist, wurden vorteilhafte KW-Ausstoßungen in den Systemen zur Abgasreinigung der Beispiele 1 bis 12 gemäß der vorliegenden Erfindung erhalten.
Wie bereits oben beschrieben wurde, kann das System zur Abgasreinigung gemäß der vorliegenden Erfindung die im Abgas, das von einem Verbrennungsmotor ausgestoßen wird, enthaltenen Schadstoffe, insbesondere dabei den während des Kaltstarts des Motors in einer großen Menge ausgestoßenen KW, wirksam reinigen.

Claims

Verbrennungsmotor mit einem Auspuffrohr und einem im Auspuffrohr angeordneten System zur Abgasreinigung, wobei das System einen Zeolithen als Adsorptionsmittelkomponente, die zur Adsorption von im Abgas, das vom Motor ausgestoßen wird, enthaltenen Kohlenwasserstoffen fähig ist, und einen Katalysator, der zur Reduktion von im Abgas enthaltenen Schadstoffen fähig ist, umfasst, wobei das System die folgende Bedingung erfüllt: a/c = 3 bis 50 cm3/gworin a das Gesamtvolumen der Poren mit einem Durchmesser von 1 nm oder weniger ist, die der Zeolith als Messergebnis unter Verwendung von N₂ umfasst, und c die Gesamtmenge -der Kohlenwasserstoffe ist, die vom Motor während eines Zeitraums von 140 Sekunden ab dem Start des Motors ausgestoßen wird, wenn der Motor in Übereinstimmung mit dem LA4-Modus des FTP betrieben wird.
Verbrennungsmotor mit einem Auspuffrohr und einem im Auspuffrohr angeordneten System zur Abgasreinigung, wobei das System einen Zeolithen als Adsorptionsmittelkomponente, die zur Adsorption von im Abgas, das vom Motor ausgestoßen wird, enthaltenen Kohlenwasserstoffen fähig ist, und einen Katalysator, der zur Reduktion von im Abgas enthaltenen Schadstoffen fähig ist, umfasst, wobei das System die folgende Bedingung erfüllt: b/c = 2 bis 30 cm3/gworin b das Gesamtvolumen der Poren mit einem Durchmesser von 1 nm oder weniger ist, die der Zeolith als Messergebnis unter Verwendung von Toluol umfasst, und c die Gesamtmenge der Kohlenwasserstoffe ist, die vom Motor während eines Zeitraums von 140 Sekunden ab dem Start des Motors ausgestoßen wird, wenn der Motor in Übereinstimmung mit dem LA4-Modus des FTP betrieben wird.
Verbrennungsmotor mit einem Auspuffrohr und einem im Auspuffrohr angeordneten System zur Abgasreinigung, wobei das System einen Zeolithen als Asdorptionsmittelkomponente, die zur Adsorption von im Abgas, das vom Motor ausgestoßen wird, enthaltenen Kohlenwasserstoffen fähig ist, und einen Katalysator, der zur Reduktion von im Abgas enthaltenen schädlichen Substanzen fähig ist, umfasst, wobei das System die folgende Bedingung erfüllt: a/c = 3 bis 50 cm3/g b/c = 2 bis 30 cm3/gworin a das Gesamtvolumen der Poren mit einem Durchmesser von 1 nm oder weniger ist, die der Zeolith als Messergebnis unter Verwendung von N₂ umfasst, b das Gesamtvolumen der Poren mit einem Durchmesser von 1 nm oder weniger ist, die der Zeolith als Messergebnis unter Verwendung von Toluol umfasst, und c die Gesamtmenge der Kohlenwasserstoffe ist, die vom Motor während eines Zeitraums von 140 Sekunden ab dem Start des Motors ausgestoßen wird, wenn der Motor in Übereinstimmung mit dem LA4-Modus des FTP betrieben wird.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der als eine Adsorptionsmittelkomponente verwendete Zeolith in Form eines Adsorbtionsmittels, das einen monolithischen Träger und einen auf dem Träger getragenen Zeolithen umfasst, im Abgasrohr angeordnet ist.
Motor nach Anspruch 4, worin das Volumen des monolithischen Trägers 0,5-4 l beträgt.
Motor nach Anspruch 4, worin eine geometrische Oberflächenfläche des monolithischen Trägers 10.000-100.000 cm² beträgt.
Motor nach Anspruch 4, worin der auf dem monolithischen Träger getragene Zeolith eine Katalysatorkomponente enthält, die zur Reinigung von im Abgas ent haltenen Schadstoffen fähig ist, oder eine Schicht auf sich aufweist, die eine zur Reinigung von im Abgas enthaltenen Schadstoffen fähige Katalysatorkomponente enthält.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der Katalysator einen monolithischen Träger und eine auf dem Träger getragene Katalysatorschicht, die eine zur Reinigung von den im Abgas enthaltenen Schadstoffen fähige Katalysatorkomponente enthält, umfasst.
Motor nach Anspruch 4, worin stromabwärts des Adsorptionsmittels zumindest ein Katalysator angeordnet ist, der einen monolithischen Träger und eine auf dem Träger getragene Katalysatorschicht, die eine zur Reinigung von im Abgas enthaltenen Schadstoffen fähige Katalysatorkomponente enthält, umfasst.
Motor nach Anspruch 4, worin das Adsorptionsmittel ein Durchblasloch mit einem größeren Durchmesser als die Durchgänge (Zellen) des monolithischen Trägers aufweist.
Motor nach Anspruch 9, worin für das Verhältnis zwischen (1) dem Volumen des stromabwärts des Adsorptionsmittels angeordneten Katalysators und (2) dem Volumen des Adsorptionsmitels (1):(2) = 1:1 bis 1:15 gilt.
Motor nach Anspruch 4, worin stromaufwärts des Adsorptionsmitels zumindest ein Katalysator angeordnet ist, der einen monolithischen Träger und eine auf dem Träger getragene Katalysatorschicht, die eine zur Reinigung von den im Abgas enthaltenen Schadstoffen fähige Katalysatorkomponente enthält, umfasst.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der als eine Adsorptionsmittelkomponente verwendete Zeolith ein Molverhältnis von SiO₂/Al₂O₃ von 50 oder mehr aufweist.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der als eine Adsorptionsmittelkomponente verwendete Zeolith zumindest ein aus Pt, Pd und Rh ausgewähltes Edelmetall enthält.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der als eine Adsorptionsmittelkomponente verwendete Zeolith zumindest ein aus den Ionen der Elementengruppe IB (Cu, Ag und Au) des Periodensystems ausgewähltes Ion enthält.
Motor nach Anspruch 15, worin der als eine Adsorptionsmittelkomponente verwendete Zeolith zudem zumindest ein aus den Ionen von Mg, Ca, Sr, Ba, Y, La, Ti, Ce, Mn, Fe, Co, Cr, Ni und Zn ausgewähltes Ion enthält.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der als eine Adsorptionsmittelkomponente verwendete Zeolith zumindest einer aus ZSM-5, ß-Zeolith, USY und Mordenit ist.
Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der Katalysator ein wärmebeständiges Oxid und zumindest ein auf dem wärmebeständigen Oxid getragenes, aus Pt, Pd und Rh ausgewähltes Edelmetall umfasst.