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Die Erfindung betrifft allgemein
die Unterbindung schädlicher
Bestandteile in Abgasströmen
und Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen. Insbesondere betrifft
die Erfindung ein Gerät
mit einer Emissionsvorrichtung, die einen Abgassauerstoff-Sensor
enthält,
der zwischen einem Konditionierungskatalysator und einem Light-off-Katalysator
positioniert ist.
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Die Verbrennung von Luft-/Treibstoffmischungen
in Verbrennungsmotoren, wie beispielsweise denjenigen, die in Kraftfahrzeugen
zu finden sind, führt
zur Bildung eines Abgasstroms, der aus verschiedenen gasförmigen Bestandteilen
besteht. Einige dieser Bestandteile, wie Kohlenwasserstoffe (KW),
Kohlenmonoxid (CO) und Stickstoffoxide (NOx) können als schädliche Bestandteile
bezeichnet werden. Die mit dem Stand der Technik vertrauten Fachleute
werden sich im Klaren darüber
sein, dass der Ausdruck Stickstoffoxide sich sowohl auf NO als auch
auf NO2 bezieht. In den letzten Jahren haben
Bedenken bezüglich
der Umweltverschmutzung zu ständig
schärfer
werdenden Verordnungen bezüglich
der maximal zulässigen
Emissionen dieser spezifischen Bestandteile geführt.
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Versuche, diese schädlichen
Bestandteile zu eliminieren oder unter Kontrolle zu bringen, haben
in letzter Zeit die Verwendung von Dreiweg-Katalysatoren (DWK) umfasst,
die typischerweise KW und CO oxidieren, während sie gleichzeitig NOx reduzieren. Ein derartiger Dreiweg-Katalysator
befindet sich in einer Abgasleitung der Motorenverbrennungskammer
nachgeschaltet. Bei Verwendung von Dreiweg-Kata lysatoren wird der
Abgasstrom typischerweise durch eine Kombination von Edelmetallen
geführt,
die auf stabilisiertes Aluminiumoxid aufgebracht sind und/oder Seltenerden-Stützphasen,
die auf einem monolithischen Zellenkern aus Keramik oder Metall
getragen werden.
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Zum Optimieren sowohl der Oxidation
von KW und CO als auch dem gleichzeitigen Reduzieren von NOx ist jedoch ein genaues Einstellen des Verhältnisses
von Luft zu Treibstoff erforderlich, die in den Verbrennungsmotor
eingeführt
werden. Eine optimale Reduzierung aller drei Komponenten findet
dann statt, wenn das Luft-/Treibstoff-Verhältnis
in der Nähe
der Stöchiometrie
liegt, d. h. 14,5–14,6
Kilogramm Luft pro 1 Kilogramm Benzin beträgt.
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Um das erwünschte Luft-/Treibstoff-Verhältnis zu
erzielen und aufrecht zu erhalten, sind Abgassauerstoff-(AGS)Sensoren
und geschlossene Steuerkreise in Verbindung mit Dreiweg-Katalysatoren
verwendet worden. Derartige Emissionssteuersysteme messen im Allgemeinen
die Sauerstoffkonzentration des Abgases und stellen als Reaktion
darauf die relativen Mengen von Luft und Treibstoff ein, die dem
Motor zugeführt
werden. AGS-Sensoren liefern dann eine Rückmeldebeurteilung, wenn das
Luft-/Treibstoff-Verhältnis nicht
einem vorbestimmten Niveau, d. h. den stöchiometrischen Niveaus, entspricht
und zeigen dadurch an, ob die Mischung reicher oder magerer ist
als das stöchiometrische
Niveau. Das stöchiometrische
Niveau ist als Steuerkreispunkt bekannt und kann innerhalb enger
Grenzen, wie erwünscht,
ausgewählt
werden.
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Während
sieh die Verwendung der Dreiweg-Katalyse als nützlich erwiesen hat, wird ihre
Genauigkeit und Wirksamkeit durch Verwendung verschiedener alternativer
Kraftfahrzeug-Treibstoffe negativ beeinflusst, was zu einer signifikanten
Verschiebung des Steuerkreispunkts in den magereren Bereich führt. Man
glaubt, dass die niedrige Molmasse von Wasserstoffperoxid es diesem
gestattet, bevorzugt durch den Rückgradschutzmantel
hindurchzudiffundieren, der die Elektrode des typischen AGS-Sensors
umgibt. Dadurch ist die relative Wasserstoffkonzentration an der
Elektrodenoberfläche
höher als
die relative Wasserstoffkonzentration an der äußeren Oberfläche des
Mantels. Diese höhere
relative Konzentration führt
dazu, dass der AGS-Sensor eine reichere Gasmischung anzeigt, als
tatsächlich
vorliegt. Dadurch macht der AGS-Sensor eine "Verschiebung" durch. Als alternative Treibstoffe
werden im Allgemeinen diejenigen bezeichnet, bei denen es sich nicht um
herkömmliches
Benzin und Dieseltreibstoffe handelt. Veranschaulichende Beispiele
sind Naturgas, Methanol, Methan, Propan (LPG), Ethanol und Kombinationen
dieser Treibstoffe.
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Im Allgemeinen führen Verschiebungen in den
mageren Bereich zu einer ungenauen Regelung der in den Motor eingeführten Luft-/Treibstoffmischung.
Der Grund dafür
ist, dass das geschlossenes Steuersystem, eine Reduzierung der in
den Motor eingeführten Treibstoffmenge
deshalb veranlasst, weil der AGS-Sensor glaubt, die Luft-/Treibstoffmischung
sei reicher an Treibstoff, als das tatsächlich der Fall ist. Die in
den Motor eingeführte
Luft-/Treibstoffmischung wird deshalb magerer als sie tatsächlich sein
sollte, was zu einer Verschiebung in den magereren Bereich führt.
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In der an Willey et al. vergebenen
und der Ford Motor Company übertragenen
US-Patentschrift
Nr. 5,433,071 wird ein Apparat und eine Methode für das Unterbinden
schädlicher
Bestandteile unter Verwendung eines Konditionierungskatalysators
für das
Entfernen von Wasserstoff offenbart. In der ,071-Patentschrift entfernt
ein Konditionierungskatalysator Wasserstoff aus dem Abgasstrom und
ein AGS-Sensor, der mit dem konditionierten Abgas in Kommunikation
steht, bildet ein Signal als Antwort auf die durch den Sensor bestimmte Sauerstoffkonzentration
des konditionierten Abgases hin. Die in den Motor eingeführte Luft-/Treibstoffmischung
wird durch eine geschlossene Steuervorrichtung als Antwort auf das
durch den AGS-Sensor gebildete Signal hin eingestellt. Durch Entfernen
von Wasserstoff aus dem Abgasstrom wird die Verschiebung in den
magereren Bereich aufgehoben und es dem Sauerstoffsensor und der
geschlossenen Steuervorrichtung gestattet, das Luft-/Treibstoffverhältnis genau
zu regeln.
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Einer der wichtigsten Vorteile dieses
Ansatzes unter Anwendung eines Konditionierungskatalysators ist
eine äußerst robuste
Emissionsnutzungsdauer. Die Vorteile eines konditionierten Abgasstroms
sind für
mit Benzin getriebene Fahrzeuge genauso wichtig. Ein signifikanter
Unterschied zwischen mit Naturgas im Vergleich mit Benzin getriebenen
Fahrzeugen besteht jedoch darin, dass die Kaltstan-Kohlenwasserstoff-Emissionen keine
besonderen Bedenken hervorrufen und zwar vor allem deshalb, weil
Naturgas hauptsächlich
aus unverbranntem Treibstoff (Methan) besteht, der nicht unter die
Norm für
Kohlenwasserstoffe fällt.
Da Naturgas außerdem
ein gasförmiger
Treibstoff ist, weist es keine der durch Benetzen der Zylinderwand
hervorgerufenen Probleme auf, die Kaltstartemissionen bei flüssigen Treibstoffen
wie Benzin zugeschrieben werden. Aufgrund der Vorteile bezüglich der
Nutzungsdauer des Konditionierungskatalysators bei Naturgas-Treibstoffen
besteht die Notwendigkeit, derartige Vorteile bei der Benutzung
von mit Benzin getriebenen Fahrzeugen zu erzielen.
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Es besteht daher ein Bedarf für eine katalytische
Vorrichtung, durch die sich sehr geringe Emissionen schädlicher
Bestandteile wie NOx, KW und CO bei einem
flüssigen
Treibstoff wie Benzin erzielen lassen, während es eine lange Nutzungsdauer
und kaum einen oder keinen Verlust an Leistungsfähigkeit aufweist.
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Außerdem haben weitere Forschungsarbeiten
gezeigt, dass zusätzlich
zum Wasserstoff vor dem Hauptkatalysator eine geringe kalibrierte
Reduzierung von Sauerstoff stattfindet und diese dazu nützlich ist, eine
größere Veränderlichkeit
der Motoren verbrennung zu tolerieren und die Luft-/Treibstoffsteuerung
zu optimieren. Die Luft-/Treibstoffveränderlichkeit
von Zylinder zu Zylinder oder die Luft-/Treibstoffveränderlichkeit im Motor von Gruppe
zu Gruppe über
ein akzeptables Maß hinaus
offenbart sich als Verschiebung in den mageren Bereich der Zusammensetzung
des Abgases in großen
Mengen derart, dass die erwünschte
Katalysatorleistungsfähigkeit
nicht erzielt werden kann. Das erfolgt, gleichgültig ob ein spezifischer Zylinder
reich oder mager ist. Wie in der ,071-Patentschrift bereitgestellt,
entfernt ein Niedrigvolumenkatalysator, der vor dem HAGS-Steuersensor
eingesetzt wird, einen Teil des Sauerstoffs und anderer reaktionsfähiger Gase,
was zu einer teilweisen Herstellung des Gasgleichgewichts führt und
die Emissionsauswirkung der Veränderlichkeit von
Zylinder zu Zylinder oder der Motorenverbrennung bewirkt. Es besteht
noch ein weiterer Bedarf dafür,
Verschiebungen in den mageren Bereich der Zusammensetzung des Abgases
in großen
Mengen zu eliminieren, so dass erwünschte Katalysatorleistungsfähigkeiten
erzielt werden können.
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Außerdem besteht auch eine weitere
Notwendigkeit, die Reaktivgasbeladung des Katalysatorsystems bezüglich einer
spezifischen Komponente des Katalysatorsystems zu reduzieren.
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Erfindungsgemäß wird ein Emissionssteuersystem
bereitgestellt für
das Unterbinden schädlicher
Bestandteile, die aus einem Abgasstrom abgegeben werden, der durch
die Verbrennung einer Luft-/Treibstoffmischung in einem Verbrennungsmotor
gebildet wird, einschließlich
einer Motorenauspuffleitung, durch die der Abgasstrom geleitet wird,
wobei das System folgendes umfasst:
eine Emissionsregelvorrichtung
umfassend:
einen Konditionierungskatalysator, der mit dem Abgasstrom
in Kommunikation steht, für
das Entfernen von Wasserstoff aus dem Abgasstrom unter Bildung eines
konditionierten Abgasstroms;
einen Light-off-Katalysator, der
mit dem konditionierten Abgasstrom in Kommunikation steht, zum Erzielen
einer Light-off-Temperatur zur Bereitstellung eines einer Light-off-Behandlung
unterzogenen und konditionierten Abgasstroms und einen Abgassauerstoff-Sensor,
der zwischen dem Konditionierungskatalysator und dem Light-off-Katalysator
positioniert ist, zum Bestimmen einer Sauerstoffkonzentration des
konditionierten Abgasstroms und
einen nachgeschalteten Katalysator,
der mit dem einer Light-off-Behandlung unterzogenen und konditionierten Abgasstrom
in Kommunikation steht, für
die weitere Entfernung schädlicher
Bestandteile aus dem Abgasstrom unter Bildung eines gereinigten
Abgasstroms.
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Die Erfindung wird nun durch ein
Beispiel unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben,
in denen die einzige Figur ein Flussdiagramm darstellt, das die
Emissionsregelvorrichtung, einschließlich eines HAGS-Sensors darstellt,
der zwischen einen Konditionierungskatalysator auf der vorgeschalteten
Seite und einen Light-off-Katalysator auf der nachgeschalteten Seite
eingeschoben ist und einschließlich zusätzlicher
nachgeschalteter Katalysatoren.
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Einer der wichtigsten Vorteile des
Ansatzes unter Zuhilfenahme des Konditionierungs katalysators, wie er
in der an die Ford Motor Company übertragenen US-Patentschrift
Nr. 5,433,071 skizziert ist, weist eine äußerst robuste Emissionsnutzungsdauer
auf. Beispielsweise haben Prüfungen
gezeigt, dass den Konditionierungskatalysator enthaltende CNG-Fahrzeuge
die Normen für
super-ultraniedrige Emissionen für
Fahrzeuge von 120 K erfüllen
sollten, während
entsprechende Fahrzeuge mit herkömmlichen "HAGS-erst"-Konfigurationen
unwahrscheinlicherweise selbst die höheren, weniger scharfen, ultraniedrigen
Emissionsstandards für Fahrzeuge
erfüllen
können.
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Ein Merkmal der mit Naturgas getriebenen
Fahrzeugen besteht jedoch darin, dass Kaltstart-Kohlenwasserstoff-Emissionen
keine besonderen Bedenken hervorrufen, und zwar vor allem deshalb,
weil sie hauptsächlich
aus unverbranntem Treibstoff, d. h. Methan bestehen, der nicht in
der Norm für
Kohlenwasserstoffe aufgeführt
ist. Auch ruft Naturgas, da es ein gasförmiger Treibstoff ist, keine
der durch Benetzen der Zylinderwand hervorgerufenen Probleme hervor,
die bei flüssigen
Treibstoffen wie Benzin zu Kaltstart-Emissionen beitragen. Angesichts
der Vorteile bezüglich
der Nutzungsdauer des Konditionierungskatalysator-Konzepts bei CNG
ist es wünschenswert,
dessen Verwendung auf mit Benzin getriebene Fahrzeuge auszudehnen.
Das Erzielen sehr geringer Emissionen aus mit Benzin getriebenen
Fahrzeugen erfordert jedoch im Allgemeinen die Verwendung direkt
gekoppelter Light-off-Katalysatoren zum Erreichen der Ziele bezüglich der
Kohlenwasserstoff-Emission. Im Zusammenhang mit dieser Erfindung
bezieht sich der Begriff "Light-off"-Katalysator auf
einen Katalysator, der so konstruiert ist, dass er seine "Light-off"-Temperatur erreicht,
d. h. die Temperatur, bei der der Katalysator unverbrannte Kohlenwasserstoffe
aus dem Abgasstrom in harmlose Gase zu verwandeln beginnt. Die Light-off-Temperatur
eines Katalysators ist die Temperatur, bei der der Katalysator 50%
Kohlenmonoxid oder Kohlenwasserstoffe oder Stickstoffoxide umwandeln
kann.
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Während
ein Katalysator sowohl als Light-off-Katalysator als auch als Konditionierungskatalysator
verwendet werden kann, haben Versuchsbeweise angezeigt, dass optimale
Konstruktionsparameter für
den Konditionierungskatalysator und den Light-off-Katalysator sich
so weit unterscheiden, dass ein einziger Katalysator nicht gleichzeitig
als Light-off-Katalysator als auch Konditionierungskatalysator effektiv
funktionieren kann. Beispielsweise beträgt das optimale Volumen eines
Konditionierungskatalysators 10–20%
des Motorenhubraums (MHR). Bei einem Light-off-Katalysator beträgt das optimale Katalysatorvolumen
30–60%
des Motorenhubraums. Desgleichen sind bei Konditionierungskatalysatoren
Offenzellenstrukturen (300 Zellen pro Quadratzoll oder weniger)
im Vergleich mit 350 Zellen pro Quadratzoll oder mehr bei Light-off-Katalysatoren
von Nutzen.
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Des Weiteren ist die optimale Katalysatorrezeptur
für die
beiden Katalysatortypen verschieden. Konditionierungskatalysatoren
sollten vor allem keine sauerstoffspeichernden Mittel wie Cer(IV)-oxid
enthalten, weil sie die Reaktion des HAGS-Sensors dämpfen. Im Gegensatz dazu weisen
Light-off-Katalysatoren oft verbesserte Light-off-Charakteristiken
auf, wenn sie sauerstoffspeichernde Mittel enthalten. Alle obigen
Faktoren legen nahe, dass getrennte Katalysatoren für Benzinapplikationen
zu bevorzugen sind, um gleichzeitig das Abgaskonditionieren und
eine gute Light-off-Leistung
zu erzielen. Getrennte Katalysatoren werden des weiteren für alle Treibstoffe
bei Versuchen bevorzugt, niedrige Emissionen zu erzielen. Dementsprechend
verlangt die vorliegende Erfindung sowohl einen Light-off-Katalysator
als auch einen Konditionierungskatalysator, die beide jeweils für eine bestimmte
Funktion geeignet sind, und wobei beide in eine eng geschichtete
Emissionsvorrichtung um einen AGS-Sensor, bevorzugt einen HAGS-Sensor
herum gepackt sind, wobei die gesamte Emissionsvorrichtung in enger
Nähe zur
Auspuffleitung des Motors montiert ist.
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Außerdem zeigen Forschungsarbeiten,
dass die Verwendung von zwei Katalysatoren vorteilhafte Ergebnisse
bietet. Vor den Forschungsarbeiten hatte man geglaubt, dass der
Konditionierungskatalysator während
der Light-off-Zeit als Wärmeableiter
wirken könnte
und dem Light-off-Katalysator Hitze wegnimmt, die zum Sicherstellen
eines schnellen Light-offs notwendig ist. Im Gegensatz dazu haben
beispielhafte Beweise gezeigt, dass die vom Konditionierungskatalysator
gebildete Hitze vom Light-off-Katalysator
dazu ausgenutzt wird, schnell seine Light-off-Temperatur zu erreichen
und dadurch das erfindungsgemäße Emissionssteuersystem
höhere
Umwandlungseffizienzen als dem Stand der Technik entsprechende Systeme
erzielen kann.
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1 zeigt
das erfindungsgemäße Emissionssteuersystem,
das vorliegende Emissionssteuersystem, bei dem ein Abgassauerstoff-Sensor 18,
bevorzugt ein HASG-Sensor, zwischen einen Konditionierungskatalysator 16 auf
der vorgeschalteten Seite und einen Light-off-Katalysator 24 auf
der nachgeschalteten Seite eingeschoben ist. Wie hier angegeben,
enthält
ein "Emissionssteuersystem" eine Emissionsregelvorrichtung, eine
geschlossene Steuervorrichtung, Einstellmittel sowie nachgeschaltete
Katalysatoren.
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Eine "Emissionsregelvorrichtung", wie sie hier bereitgestellt
wird, umfasst einen Konditionierungskatalysator, einen Light-off-Katalysator
und einen Abgassauerstoff-Sensor. Wie in 1 dargestellt, ist die Emissionsregelvorrichtung
dafür bestimmt,
in Kombination mit zusätzlichen
Katalysatoren verwendet zu werden, die weiter unten nachgeschaltet
sind, und daher als nachgeschaltete Katalysatoren 20 bezeichnet
werden. Ein mit dem Stand der Technik vertrauter Fachmann würde erkennen,
dass diese Anordnung bei verschiedenen Motorenkonfigurationen modifiziert
werden sollte. Beispielsweise ist beim 8-Zylinder-, 5,4-Liter-Motor
mit zwei Abgasauslassgruppen eine getrennte Emissionsregelvorrichtung
auf jeder Abgasauslassgruppe des Motors montiert: Dementsprechend
sind bei der bevorzugten Ausführungsform
zwei nachgeschaltete Hauptkatalysatoren von 90 Kubikzoll an einer
Unterkarosseriestelle unterhalb des Punkts eingesetzt, an dem der
Auspuff aus den beiden Motorengruppen kombiniert wird. Bevorzugt
dient eine Emissionsregelvorrichtung bei jedem AGS-Sensor 18 für die Rückmeldung
oder Regelkreissteuerung des Motors 10. In Verbindung mit
dem Sauerstoffsensor 18 und der geschlossenen Steuervorrichtung 14 ist
eine weitere Einstellungsvorrichtung 12 zum Modifizieren
der Luft-/Treibstoffparameter vor dem Verbrennen im Motor 10 vorhanden.
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Der Konditionierungskatalysator 16 aus 1 ist so positioniert, dass
er mit dem aus dem Motor 10 austretenden. Abgasstrom 21 in
Kommunikation steht. Am bevorzugtesten ist der Konditionierungskatalysator 16 so
positioniert, dass er in der Bahn des Abgasstroms 21 derart
liegt, dass die Abgase oder Emissionen durch den Konditionierungskatalysator 16 in
Form eines geraden ununterbrochenen Axialflusses hindurchgehen.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform
wäre die
Emissionsregelvorrichtung so konstruiert, dass sie so nahe wie möglich an
der Auspuffleitung des Motors montiert werden kann, um ein schnelles
Warmlaufen der Konditionierungs- und Light-off-Katalysatoren sicherzustellen. Bei der
bevorzugten Ausführungsform
sind die Konditionierungs- und Light-off-Katalysatoren nahe aneinander
angeordnet, am bevorzugtesten innerhalb eines Bereichs von 1 Zoll
bis 4 Zoll.
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Bei dem Konditionierungskatalysator 16 handelt
es sich um einen Katalysator von geringem Volumen, niedriger Reaktivität und äußerst langer
Nutzungsdauer, der so konstruiert ist, dass er bevorzugt Wasserstoff mit
einer stöchiometrisch
entsprechenden Menge Sauerstoff oxidiert. Das wird durch Dimensionieren
des Konditionierungskatalysators 16 derart erzielt, dass
die Oxidation von Wasserstoff zu Wasser bevorzugt im Vergleich mit
anderen damit im Wettbewerb stehenden Reaktionen wie beispielsweise
der Oxidation von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen oder der
Reduktion von Stickstoffoxid stattfindet. Die Umwandlung dieser schädlichen
Bestandteile muss so weit minimiert werden, dass es zu einem vernachlässigbar
geringen Dämpfen
des AGS-Sensors führt.
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Besonders bevorzugt besteht der Konditionierungskatalysator 16 aus
einem monolithischen Zellsubstrat. Metall- und Keramiksubstrate
wie diejenigen, die typischerweise beim Bau von Dreiweg-Katalysatoren verwendet
werden, sind dazu geeignet. Cordierit und dergleichen sind Beispiele
geeigneter Keramiksubstratmaterialien. Die Struktur des Konditionierungskatalysators 16 ist
eine Wabenstruktur und entspricht derjenigen herkömmlicher
Dreiweg-Katalysatoren. Derartige Strukturen sind den mit dem Stand
der Technik vertrauten Fachleuten bekannt.
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Wahlweise kann auf dem monolithischen
Katalysatorsubstrat ein refraktäres
an organisches Oxid angeordnet sein. Geeignete Beispiele sind Aluminiumoxid,
Siliciumdioxid, Zirkoniumdioxid oder andere Stabilisiermittel wie
Lanthanoxid oder Bariumoxid oder Mischungen derselben. Am bevorzugtesten
weist der Konditionierungskatalysator 16 eine refraktäre anorganische
Oxidschicht auf, die hauptsächlich
aus Aluminiumoxid besteht.
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Das Katalysatorsubstrat oder wahlweise
die refraktäre
anorganische Oxidschicht werden mit einem oder mehreren Edelmetallen
imprägniert.
Geeignete Edelmetalle sind Palladium, Platin und Rhodium. Das hier zur
Verwendung bevorzugteste Edelmetall ist Palladium.
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Im Allgemeinen weist der Konditionierungskatalysator 16 eine
Edelmetallbeladung auf dem Substrat von ca. 20 bis 400 Gramm pro
Kubikfuß (g/ft3) auf. Bevorzugte Beladungen betragen ca.
40 bis 250 g/ft3. Die bevorzugteste Beladung
ist 100 g/ft3.
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Die Fähigkeit des Konditionierungskatalysators,
bevorzugt Wasserstoff zu oxidieren, hängt von der Dimensionierung
der Zelldichte des Konditionierungskatalysators 16 und
der entsprechenden Edelmetallbeladung sowie dem Volumen des Konditionierungskatalysators
und der Strömungsgeschwindigkeit
der Abgase durch den Konditionierungskatalysator ab. Die letzteren
beiden Parameter werden oft als einziger Parameter, der sogenannten
Raumgeschwindigkeit, ausgedrückt,
die das Verhältnis
der volumetrischen Strömungsgeschwindigkeit
des Abgases zum Volumen des Katalysatorelements darstellt. Der Konditionierungskatalysator 16 muss
ohne signifikantes Dämpfen
der Reaktion des Abgassauerstoff-Sensors 18 funktionieren.
In der Praxis hat sich erwiesen, dass dies dann der Fall ist, wenn
die Umwandlung von Nichtwasserstoff-Spezies wie CO, KW und Stickstoffoxiden
durch den ganzen Konditionierungskatalysator hindurch weniger als
50% beträgt.
Mit Ausnahme des bei der Oxidation von Wasserstoff verbrauchten
Sauerstoffs sollte die Sauerstoffkonzentration des konditionierten
Abgases 22, das den Konditionierungskatalysator 16 verlässt, ungefähr so nahe wie
möglich
bei derjenigen des Abgases 21, das den Motor 10 verlässt, liegen.
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Materialien, von denen angenommen
wird, dass die als Sauerstoff-"Ableiter" wirken, sind bei
dem Konditionierungskatalysator 16 zu vermeiden. Beispielsweise
sollte der bevorzugteste Konditionierungskatalysator 16 von
Cer(IV)-oxid, das Sauerstoff reversibel speichern kann, frei sein.
Insbesondere ist die Oxidation von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid
durch derart gespeicherten Sauerstoff zu vermeiden.
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Es hat sich gezeigt, dass die erwünschte Leistungscharakteristik,
d. h. eine hohe Umwandlung von Wasserstoff, bei gleichzeitigem geringen
Dämpfen
der AGS-Sensorreaktion
dann erzielt wird, wenn ein. Konditionierungskatalysator 16 eine
spezifische Raumgeschwindigkeit besitzt.
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Der Konditionierungskatalysator 16 sollte
so dimensioniert sein, dass eine Raumgeschwindigkeit von 500.000
h–1 bis
1.000.000 h–1 bei
Spitzenströmungsgeschwindigkeiten
des Motorenabgases erzielt wird. Raumgeschwindigkeit wird als die
volumetrische Strömungsgeschwindigkeit
von Abgasen unter Standardbedingungen eines Drucks von einer Atmosphäre und einer
Temperatur von 20°C,
geteilt durch das Volumen des Katalysators, durch den die Abgase
geführt
werden, definiert. Die bevorzugteste maximale Raumgeschwindigkeit
beträgt
ca. 700.000 h–1.
Bei der bevorzugten Ausführungsform
hat es sich erwiesen, dass die Sauerstoffkapazität unter 500 bis 1.000 Mikromol
Sauerstoffatomen gehalten werden sollte, um eine minimale Dämpfungswirkung
sicherzustellen.
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Es hat sich des weiteren erwiesen,
dass der Konditionierungskatalysator 16 am bevorzugtesten
weniger als 40% des gesamten Stickstoffoxids reduziert oder umwandelt,
das im Abgasstrom 21, der den Motor 10 verlässt, vorliegt.
Noch wichtiger ist jedoch bezüglich
Wasserstoff vorausgesagt worden, dass Umwandlungseffizienzen von
mehr als 95% durch Verwendung der gegenwärtigen Erfindung erzielt werden
können.
So wird man sich im Klaren darüber
sein, dass das Hindurchgehen des Abgases 21 durch den Konditionierungskatalysator 16 zur
Bildung eines konditionierten Abgases 22 führt. Das
konditionierte Abgas 22, das in 1 schematisch veranschaulicht ist, kann
dadurch gekennzeichnet sein, dass es eine Wasserstoffkonzentration
aufweist, die um mindestens 75% geringer ist als diejenige des Abgasstroms 21,
der den Verbrennungsmotor 10 verlässt. Bevorzugt enthält der Strom
von konditioniertem Abgas 22 80% weniger Wasserstoff im
Vergleich mit den Abgasstrom 21, der in den Konditionierungskatalysator 16 eintritt.
Am bevorzugtesten enthält
das konditionierte Abgas 22 weniger als 10% des Wasserstoffs,
der im vorkonditionierten Abgas 22 vorliegt.
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Ein geeigneter Konditionierungskatalysator 16 kann
eine Größe von ca.
1–5 Zoll
Durchmesser und am bevorzugtesten von ca. 2–3 Zoll Durchmesser aufweisen.
Sie können
eine Länge
von 2–5
Zoll und noch bevorzugter von 3–4
Zoll aufweisen. Der Konditionierungskatalysator kann des Weiteren
ein Volumen von ca. 10–40
Zoll3 auf weisen. Außerdem enthält der Katalysator 75–400 Zellen
pro Quadratzoll (ZpQ). Zelldichten von 200–350 ZpQ werden am meisten
bevorzugt.
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Bevorzugt weist der Light-off-Katalysator
300–500
ZpQ, einen Durchmesser von weniger als 5 Zoll und eine Länge von
weniger als 5 Zoll auf. Der Light-off-Katalysator weist des weiteren
bevorzugt ein Volumen von 30–50
Zoll3 auf.
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Bezüglich des AGS-Sensors 18 sind
AGS-Sensoren vom Wechsel- oder Schrittfunktionstyp für die hier beschriebene
Verwendung geeignet. Sowohl erhitzte Abgassensoren (HAGS) als auch
Universalabgas-Sensoren (UAGS) sind geeignet und können entweder
eine zylindrische oder eine planare Konfiguration aufweisen. Erhitzte
Abgassensoren sind bevorzugt. Im Allgemeinen besteht der AGS-Sensor
aus einem Keramikkörper,
bei dem mindestens ein Teil mit dem konditionierten Abstrom 22 in
Kommunikation steht, der aus dem Konditionierungskatalysator 16 austritt
und ein zweiter Teil nicht in dem Strom von konditioniertem Abgas 22 positioniert
ist. Die Oberfläche
des Keramikkörpers,
die typischerweise aus Zirkoniumdioxid besteht, ist mit gasdurchlässigen Elektroden
ausgestattet. Geeignete Elektroden können aus Platin bestehen. Wenn
die Sauerstoffkonzentration in diesem Teil des Keramikkörpers, der
mit dem Abgas 21 steht in Kommunikation, von der Sauerstoffkonzentration
in dem Teil des Körpers,
der nicht mit der Abgasbahn in Kommunikation steht, verschieden
ist, wird eine Spannung zwischen den einzelnen Elektroden gebildet.
Die Spannung ist ein Maß des Unterschieds
zwischen den Sauerstoffkonzentrationen in den entsprechenden Teilen
des Sensorkörpers.
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Wie oben angegeben, gehört der AGS-Sensor 18 am
bevorzugtesten zur Art, die als erhitzter Abgassauerstoff-Sensor
bekannt ist. Ein derartiger Sensor weist einen Keramikkörper auf,
der durch ein internes Heizelement erhitzt wird: Diejenigen HAGS-Sensoren werden am
meistert bevorzugt, die im Handel von Bosch & NTK erhältlich sind.
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Als Teil des nachgeschalteten Hauptkatalysators 20 sind
Standard-Dreiweg-Katalysatoren zur Verwendung geeignet. Insbesondere
bestehen geeignete Dreiweg-Katalysatoren aus einem Keramik- oder
monolithischen Metallsubstrat, auf das ein Edelmetall aufimprägniert ist,
wie beispielsweise diejenigen, die allgemein von Corning, Inc.,
New York, erhältlich
sind. Geeignete Edelmetalle sind diejenigen, wie sie oben bezüglich des
Konditionierungskatalysators 16 beschrieben worden sind.
Am bevorzugtesten wird das Edelmetall aus der Gruppe ausgewählt, die
aus Palladium, Platin, Rhodium und Mischungen derselben besteht.
Gesamtedelmetall-Beladungen von 40 g/ft3 bis
150 g/ft3 sind geeignet. Die bevorzugtesten
Kombinationen umfassen Mischungen von Palladium und Rhodium in Gewichtsverhältnissen
von 25 zu 1 bis 3 zu 2. Die bevorzugtesten Verhältnisse von Palladium zu Rhodium
liegen zwischen 10 zu 1 und 1,5 zu 1.
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Zur erfindungsgemäßen Verwendung geeignete Dreiweg-Katalysatoren
weisen 350– 400
Zellen pro Quadratzoll und eine maximale Raumgeschwindigkeit von
100.000 h–1 unter
den Bedingungen eines weit offenen Drosselventils auf. Nachgeschaltete
Dreiweg-Katalysatoren weisen eine Größe von ca. 1–10 Zoll
Durchmesser und ein Volumen von ca. 75–100 Zoll3 auf.
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Versuchsbeweismaterial
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Die Emissionsregelvorrichtung ist
in einem mit Benzin getriebenen Schwesterfahrzeug des 5,4-Liter E-350-Lieferwagens
geprüft
worden, bei dem mit CNG-Treibstoff superultraniedrige Emissionsfahrzeugstandards
bei Verwendung ausschließlich
des Konditionierungskatalysators und ohne Light-off-Katalysator
erzielt worden waren. Der erste Test umfasste das einfache Ausstatten
des mit Benzin getriebenen Fahrzeugs mit den gleichen System, wie
es bei dem mit Naturgas getriebenen Fahrzeug verwendet worden war,
und das Altern des Katalysators über
4.000 Meilen Straßenfahrt.
Die bei diesen Testläufen
durchgeführten
Prüfungen sind
in der graphischen Darstellung 1 zusammengefasst. Eine wichtige
Zahl, der Aufmerksamkeit geschenkt werden sollte, sind die Nichtmethan-Kohlenwasserstoff-Emissionen,
die im Durchschnitt über
5 FTP-Tests erzielt
wurden. Der Durchschnitt ist 0,122 g/Meile und übersteigt den Standard für ultra-niedrige
Emissionen bei Fahrzeugen von 0,117 g/Meile für Fahrzeuge dieser Gewichtsklasse.
Im Vergleich dazu betrugen typische Nichtmethan-Kohlenwasserstoff-Emissionen aus dem
CNG-Schwesterfahrzeug mit der gleichen Katalysatorkonfiguration
weniger als 0,02 g/Meilen.
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GRAPHISCHE
DARSTELLUNG 1: EMISSIONSTESTS AN ÜBER 4.000 MEILEN GEALTERTEN
KATALYSATOREN
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Die zweite Reihe von Prüfungen umfasste
die Verwendung des gleichen Systems wie es bei dem mit Naturgas
getriebenen Fahrzeug verwendet wurde, jedoch wurde der Konditionierungskatalysator 16 näher an die
Auspuffleitung herangerückt
(5,5 Zoll und 10 Zoll im Vergleich mit 13 Zoll und 19 Zoll) und
dadurch wurden die Nichtmethan-Kohlenwasserstoff-Emissionen
auf 0,100 g/Meile reduziert, wie in der graphischen Darstellung
2 veranschaulicht.
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GRAPHISCHE
DARSTELLUNG 2: EMISSIONSTEST MIT NEUPOSITIONIERTEN 4.000 MEILEN-KATALYSATOREN
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Die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Emissionssteuersystems
wurde mit grünen
(d. h. OK Meilen-) Katalysatoren geprüft, die mit dem verwendeten
Konditionierungskatalysator identisch waren und als Hilfs-Light-off-Katalysator
dienten. Dieses System wies eine signifikante Reduzierung der Nichtmethan-Kohlenwasserstoff-Emissionen auf einen
Durchschnitt von 0,069 g/Meile auf, wie in der graphischen Darstellung
3 gezeigt, trotz der Tatsache, dass einer der drei großen Unterkarosserie-Katalysatoren in
dieser und den darauffolgenden Testkonfigurationen vom System entfernt
worden war.
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GRAPHISCHE
DARSTELLUNG 3: EMISSIONSPRÜFUNG
MIT GRÜNEM
KATALYSATOR
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Das letzte Beispiel, wie in der graphischen
Darstellung 4 dargestellt, umfasste den ersten Versuch, den hinteren
Katalysator spezifisch auf Light-off-Effizienz hin zu konstruieren
und im Vergleich mit dem Konditonierungskatalysator wurde beim Light-off-Katalysator ein
größeres Volumen,
nämlich
42 Kubikzoll im Vergleich mit 22 Kubikzoll, eine höhere Zelldichte,
nämlich
400 ZpQ im Vergleich mit 200 ZpQ, und andere Katalysatorformulierungen,
eine höhere
Beladung und das Einschließen
einer Sauerstoffspeicherkomponente verwendet. Außerdem wurde das Fahrzeug vor
der Prüfung
zusätzliche
4.000 Meilen auf der Straße
gefahren, was zu insgesamt 8.000 Meilen bei den Konditionierungs-
und Unterkarosserie-Katalysatoren und 4.000 Meilen bei den Light-off-Katalysatoren
führte.
Wie in der graphischen Darstellung 4 gezeigt, blieben die Nichtmethan-Kohlenwasserstoff-Emissionen
in der Nähe
des gleichen Niveaus, was anzeigt, dass von der verbesserten Konstruktion
angenommen wird, für
das zusätzliche
Altern der Katalysatoren einen Ausgleich geschaffen zu haben. Man
sollte auch beachten, dass bei dem vorliegenden Emissionssteuersystem
die Kohlen monoxid- und NO-Emissionen als für unterhalb der Norm für ultra-niedrige
Emissionen bei Fahrzeugen liegend gehalten werden. Außerdem wurden
alle Ergebnisse ohne Verwendung einer Abgasrückführung (AGR) erhalten, was beweist,
dass es mit diesem Typ von System einfacher ist, ohne AGR der Norm
für ultra-niedrige
Emissionen bei Fahrzeugen für
NOx zu entsprechen. Die Kosteneinsparungen,
die sich aus dem Weglassen sowohl von AGR als auch einer der drei
Unterkarosserie-Katalysatorbausteine ergeben, bieten mehr als einen
Ausgleich für
die zusätzlichen
Kosten der Konditionierungs- und Light-off-Katalysatoren, die die
Emissionsregelvorrichtung darstellen.
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GRAPHISCHE
DARSTELLUNG 4: EMISSIONSPRÜFUNG
MIT LIGHT-OFF-KATALYSATOR
UND KONDTTIONIERUNGSKATALYSATOR
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Das Emissionssteuersystem weist viele
Vorteile auf, die direkt zur verbesserten Emissionsleistung und Nutzungsdauer
beitragen. Erstens ist der AGS-Sensor gegen übermäßigen Wärme- und chemischen Abbau geschützt, denn
der AGS-Sensor ist weiter stromabwärts eingebaut, was zu niedrigeren
Temperaturen führt sowie
dazu, dass Abgasverschmutzungen bis zu einem gewissen Grad durch
den Konditionierungskatalysator ausfiltriert werden, die sonst in
den AGS-Sensor gelangen würden.
Zweitens wirkt der Konditionierungskatalysator als Puffervorrichtung
für die
Abgase, so dass der AGS-Sensor auf das durchschnittliche Luft-/Treibstoffverhältnis anspricht
anstatt auf die spezifischen Luft-/Treibstoffverhältnisse
aus den einzelnen Zylindern. Drittens puffert der Konditionierungskatalysator
die Strömung
sowohl zum AGS-Sensor als auch zum Light-off-Katalysator und richtet
sie gerade, was zu genaueren Luft-/Treibstoff-Ablesewerten durch den AGS-Sensor
und die vollständige
Ausnutzung des vorderen Bereichs des Light-off-Katalysators führt, was
wiederum zu einer geringeren Kanalisierung und einer weniger schlechten
Verteilung von Abgasen führt,
als man sonst erfährt. Außerdem ist
der AGS-Sensor eng zwischen die beiden Katalysatoren eingebettet,
was ein gutes Mischen von Abgasen in dem dazwischenliegenden Raum
sicherstellt und zu einem genauen Gassensorergebnis und zum Eliminieren
von Orientierungswirkungen des AGS-Sensors bezüglich der Hauptströmungsrichtung
führt.
Die enge Sandwichanordnung der Konditionierungs- und Light-off-Katalysatoren
stellt auch sicher, dass Wärme, die
durch im Konditionierungskatalysator stattfindende exotherme Abgasreaktionen
gebildet wird, zum Light-off-Katalysator überführt wird, anstatt an die kalten
Umgebungen verloren zu gehen, was ein schnelles Warmlaufen des Light-off-Katalysators
sicherstellt. Desgleichen wird durch Verteilen der Abgas-Konditionierungsfunktion
und der Abgas-Light-off-Funktion über die beiden Katalysatoren
sichergestellt, dass der Konditionierungskatalysator klein genug
und offen genug gehalten werden kann, um während des Light-offs nicht
zu einem signifikanten Wärmeableiter
zu werden. Gleicherweise stellt die kleine offene Struktur des Konditionierungskatalysatois
auch das Durchblasen von Emissionen und Hitze unter Fahrbedingungen
hoher Geschwindigkeit sicher, wodurch der Konditionskatalysator
gegen übermäßige Temperaturspitzen
geschützt
wird. Unter Warmlaufbedingungen, insbesondere bei hoher Geschwindigkeit,
arbeiten der Konditionierungskatalysator und der Light-off-Katalystor
zusammen, um die exotherme Reaktion zu verteilen und dabei die Spitzentemperaturen
in beiden Katalysatoren zu begrenzen und zu einer besseren Wärmenutzungsdauer
beizutragen. Die Giftabscheidung wird ebenfalls verteilt, so dass
kein einzelner Katalysator übermäßig vergiftet
wird.
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Allgemein gesehen, erweitert diese
Erfindung das Konzept des Katalysatorphasenbetriebs und verbessert
im Wesentlichen die Verwendung von drei Typen von Katalysatoren,
nämlich
dem Konditionierungskatalysator und dem Light-off-Katalystor sowie
dem nachgeschalteten Hauptkatalysator, von denen jeder seine einzigartige
Reaktionschemie und Umwandlungsregime zur Unterstützung des
effizientesten Gasemissionssteuersystems aufweist. Die oben skizzierten
Merkmale sind für
die kombinierte, aus konditioniertem Katalysator, AGS-Sensor und
Light-off-Katalystor bestehende Emissionsvorrichtung kennzeichnend
und bieten zusätzliche
Vorteile im Vergleich mit den für
jede einzelne Komponente schon bewiesenen Vorteil dar.
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Ein weiteres Beispiel zusätzlicher
Vorteile, die sich aus der Verwendung des Konditionierungskatalysators
ergeben, besteht darin, dass der Katalysator, zusätzlich zum
Entfernen von Wasserstoff, gleichzeitig vor dem AGS-Sensor eine
Menge Sauerstoff entfernt. Das erlaubt eine größere Motorenverbrennungsvariation von
Zylinder zu Zylinder während
die Emissionsniveaus niedrig gehalten werden. Auf diese Weise kann
ein Motor mit einem hohen Grad an Veränderlichkeit des Luft-/Treibstoffverhältnisses
von Zylinder zu Zylinder (d. h. breite Schwankungen in der Abgassauerstoff-Konzentration)
dazu gebracht werden, vom Emissionsstandpunkt her so zu funktionieren
wie einer mit einer ausgeglichenen Luft-/Treibstoffbeladung bei
allen Zylindern.
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Im Zuge der Verbesserung der Motorentechnik
im Laufe der Jahre sind in Bereichen wie der Konstruktion der Zylinder
und der Verbrennungskammer, der Konstruktion von Treibstoffschienen,
der Konstruktion von Mehrkanal-Treibstoff-Einspritzventilen und
der Ansaugluftverteilung die Emissionen von unverbranntem Treibstoff
und Sauerstoff ständig
gefallen, was zu einer reduzierten Belastung durch Emissionen hinter
dem Behandlungssystem führt.
Im Rahmen dieser Erfindung reduziert der Konditionierungskatalysator 16 den
Sauerstoff noch weiter um ca. 50% des aus dem Motor 10 austretenden.
Das Endergebnis ist, dass vom Standpunkt der Abgasemissionen her
der Konditionierungskatalysator 16 sowohl die Beladung
des AGS-Sensors als auch des nachgeschalteten Hauptkatalysators 20 durch
reaktives Gas reduziert.
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Insbesondere arbeiten der Konditionierungskatalysator 16 und
der AGS-Sensor 18 zusammen unter Bildung niedrigerer Konzentrationen
von Sauerstoff am nachgeschalteten Haupt-Unterkarosserie-Katalysator 20 als
sie normalerweise erzielt werden. Das öffnet neue Reaktionsbahnen
für Stickstoffoxid,
die wiederum die Effizienz der Stickstoffoxidumwandlung der Haupt-Unterkarosserie-Katalysatoren
stark verbessern. Spezifisch hemmt Sauerstoff, wenn es vorliegt,
die Reaktion zwischen Stickstoffoxid und Kohlenmonoxid. Durch Verringern
des an die nachgeschalteten Unterkarosserie-Katalysatoren 20 gelieferten
Sauerstoffs in mäßigem Maßstab, um
die Kohlenmonoxidoxidation nicht negativ zu beeinflussen, wird der
Wettbewerb zwischen Stickstoffoxid und Sauerstoff um das verfügbare Kohlenmonoxid
verbessert und die Effizienz der Stickstoffoxidumwandlung erhöht.
