DE10160639B4

DE10160639B4 - System und Verfahren zur Nachbehandlung von Verbrennungskraftmaschinenabgasen

Info

Publication number: DE10160639B4
Application number: DE2001160639
Authority: DE
Inventors: Gennadi Dr. Zikoridse; Ernstwendelin Prof. Dr.-Ing.habil. Bach; Jörg Dipl.-Krist. Adler; Gesine Dipl.-Ing. Bergmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Hochschule fuer Technik und Wirtschaft Dresden
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2001-12-08
Filing date: 2001-12-08
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2021-12-09
Also published as: AU2002357444A1; WO2003053551A2; DE10160639A1; WO2003053551A3; AU2002357444A8

Abstract

System für die Nachbehandlung von Verbrennungskraftmaschinenabgasen, bei dem Abgas durch einen durch Sinterung oder Reaktionsbindung hergestellten offenporigen Keramikschaum, mit lokal definierter unterschiedlicher Porenstruktur, die durch die unterschiedlichen Größen der einzelnen Poren und die Anzahl der Poren pro Fläche oder Volumen charakterisiert ist, geführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Nachbehandlung von Verbrennungskraftmaschinenabgasen. Die Erfindung kann bevorzugt bei Dieselmotoren und direkt einspritzenden Ottomotoren eingesetzt werden.
Um den bisher und auch in der Zukunft steigenden Anforderungen an die Qualität von Abgasen, die von Verbrennungskraftmaschinen an die Umwelt abgegeben werden dürfen, gerecht zu werden, müssen wegen der Komplexität für solche Abgasnachbehandlungssysteme viele verschiedene Faktoren berücksichtigt werden. So müssen thermische und mechanische Stabilität unter den verschiedensten Betriebsbedingungen solcher Verbrennungskraftmaschinen gesichert werden. Des Weiteren sollen insbesondere aus den Abgasen, die aus Dieselmotoren an die Umwelt abgegeben werden, die gesundheitsschädlichen Partikel separiert werden, wobei jedoch das Problem des steigenden Abgasgegendruckes bei einer solchen Filtration zu beachten ist.
Ein weiteres Problem für solche Abgasnachbehandlungssysteme besteht im begrenzt zur Verfügung stehenden Raum, der das Bauvolumen solcher Systeme selbstverständlich ebenfalls entsprechend einschränkt.
Wegen der mehreren unterschiedlichen Schadstoffkomponenten ist deren Separation aus den Abgasen auch schwierig und kann nicht in jedem Fall mit gleichen Mitteln erreicht werden.
So ist in DE 41 03 350 A1 die Verwendung eines Materials zur Reinigung von Abgasen, insbesondere zum Filtern von Rußpartikeln beschrieben, das im Wesentlichen aus einem Oxidgemisch, bestehend aus Al₂O₃, SiO₂ und/oder ZrO₂ gebildet ist. Dieses Material soll in Form von Fasern für die Filterung eingesetzt werden. Dabei wird darauf hingewiesen, dass die Dichte eines entsprechenden Materials im Bereich zwischen 0,03 und 1,5 g/cm³ liegen soll und die Dichte in bestimmten Bereichen auch örtlich unterschiedlich sein kann.
Dort wird auch auf DE 36 22 623 A1 hingewiesen, aus der der Einsatz offenporiger Schaumkeramik bekannt ist.
Aus DE 37 29 126 A1 ist ein Dieselruß-Partikelfilter und ein Herstellungsverfahren bekannt, bei dem ein Träger aus einem Keramik- oder Metallschaumkörper mit einer Mindestporenzahl von 55 ppi eingesetzt werden soll.
In DE 199 59 612 A1 ist ein Katalysatorkörper für eine Abgasreinigungseinrichtung einer Verbrennungskraftmaschine beschrieben, bei dem ein Träger mit aufgebrachter katalytisch wirkender Beschichtung, der Strömungskanäle aufweist, eingesetzt werden soll. Dieser Träger hat Bereiche niedriger Strömungswiderstände aus Metall und hoher Strömungswiderstände aus Keramik, die auf verschiedene Art und Weise zueinander angeordnet sein können, wobei auch auf eine konzentrische Anordnung um eine Längsachse des Katalysatorkörpers hingewiesen worden ist.
In DE 44 05 331 C2 ist eine Möglichkeit zur Herstellung eines Keramikbauteils mit offenporiger Struktur beschrieben. Es soll ein Formkörper durch Formen und Sintern eines im Wesentlichen nicht oxidische Keramikbestandteile umfassenden Keramikmaterials hergestellt werden und die Oberfläche durch eine Oxidation modifiziert werden, was zu einer endkonturnahen Herstellung eines entsprechenden Formkörpers führen soll.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige, praktikable und flexible Lösung vorzuschlagen, mit der die Qualität des an die Umwelt abgegebenen Abgases von Verbrennungskraftmaschinen auch im mobilen Einsatz in Fahrzeugen, ohne erhebliche Erhöhung des Kraftstoffverbrauches, erreichbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem System, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Die erfindungsgemäße Führung eines Verfahrens zur Nachbehandlung von Abgasen ergibt sich mit den Merkmalen des Anspruch 22. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmalen erreicht werden.

Bei dem erfindungsgemäßen System wird ein durch Sinterung oder Reaktionsbindung hergestellter offenporiger Keramikschaum, durch den das Abgas für eine Nachbehandlung geführt wird, verwendet. Dabei weist ein solcher offenporiger Keramikschaum eine lokal defi nierte Porenstruktur auf. Dies betrifft die jeweils unterschiedlichen Größen der einzelnen Poren sowie die Anzahl der Poren pro Fläche/Volumina.

Die lokal definierte unterschiedliche Porenstruktur kann in mehreren verschiedenen Formen gewählt werden.

So können unterschiedliche Porenstrukturen in scharf voneinander getrennten Bereichen, wie dies bei dem nachfolgend noch weiter zu beschreibenden Mantel- und Kernbereich der Fall ist, eingesetzt werden.

Es kann aber auch ein nahezu kontinuierlicher Übergang einer solchen Porenstruktur in gradierter Form ausgenutzt werden.

In diesem Fall besteht die Möglichkeit, die Porenstrukturen ausgehend von einer orthogonal zur eintrittseitigen Stirnfläche für das Abgas eines solchen offenporigen Keramikschaumes ausgerichteten Mittelachse in radialer Richtung eine solche gradierte Porenstrukturierung einzusetzen. Dementsprechend kann bevorzugt die Porenstruktur ausgehend von der Mittelachse in radial nach außen gerichteter Richtung feiner werden, so dass im äußeren Bereich dann die Anzahl der Poren pro Fläche größer und die Größe der einzelnen Poren dort kleiner ist.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, eine solche entsprechende gradierte Porenstruktur im offenporigen Keramikschaum auszubilden, die ausgehend von der Stirnfläche, in die das Abgas eintritt, bis hin zur Austrittsseite feiner wird bzw. an der Stirnfläche, an der Abgas aus dem offenporigen Keramikschaum austritt, ein Bereich ausgebildet ist, der eine feinere Porenstruktur als der in Abgasströmungsrichtung davor angeordnete Bereich aufweist. In diesem Fall sollte der Bereich mit der feineren Porenstruktur eine deutlich geringere Breite aufweisen, so dass der Weg, durch den das Abgas dort geführt werden muss, relativ klein ist. Bei einer solchen Ausführungsform ist es ebenfalls vorteilhaft, den offenporigen Keramikschaum in Form eines Kegelstumpfes auszubilden, wobei dann die eintrittsseitige Stirnfläche einen deutlich kleineren Durchmesser, als die austrittsseitige Stirnfläche eines solchen Keramikschaumkörpers aufweisen soll. Analog trifft dieser Sachverhalt auch auf eine Ausbildung in Form eines Pyramidenstumpfes zu.

In einer vorteilhaften Ausführung eines erfindungsgemäßen Systems für die Nachbehandlung von Verbrennungskraftmaschinenabgasen wird mindestens ein Kernbereich und ein Mantelbereich eingesetzt. Beide Bereiche bestehen im Wesentlichen aus dem offenporigen Keramikschaum, der durch Sinterung bzw. Reaktionsbindung hergestellt worden ist, wobei jeweils eine unterschiedliche Porenstruktur mit unterschiedlicher Porenanzahl pro Fläche/Volumina und Größe der einzelnen Poren ausgebildet ist.

So kann beispielsweise vorteilhaft der Kernbereich eine gröbere Porenstruktur als der Mantelbereich aufweisen, wobei jedoch auch eine entgegengesetzte Porenstrukturausbildung der beiden Bereiche möglich ist. Je nach gewählter Porenstruktur für Mantel- und Kernbereich kann auch die Führung des Abgases gewählt werden.

So wird beispielsweise bei einem Kernbereich, dessen Porenstruktur gröber als die des Mantelbereichs ist, vorteilhaft das Abgas zuerst durch den Kernbereich und nachfolgend durch den Mantelbereich geführt.

Vorteilhaft umschließt der Mantelbereich den Kernbereich unmittelbar, so dass quasi ein Element aus diesen beiden Bereichen gebildet wird. Ein solches Element kann beispielsweise und vorteilhaft zylinderförmig ausgebildet sein, so dass das nachzubehandelnde Abgas einer Verbrennungskraftmaschine durch eine offene Stirnfläche in den Kernbereich eingeführt werden kann und bei gasdicht verschlossener gegenüberliegender Stirnfläche von Kernbereich und möglichst auch von Mantelbereich tritt das Abgas durch den Mantelbereich aus und kann in dieser Form an die Umwelt abgegeben, bevorzugt aber, wie noch näher auszuführen sein wird, weiter nachbehandelt werden.

Geometriebedingt ist es in diesem Fall günstiger, den Kernbereich mit einer gröberen und den Mantelbereich mit einer feineren Porenstruktur auszubilden, so dass der Mantelbereich dann einen Partikelfilter darstellen kann.

Die erfindungsgemäße Lösung kann aber auch so ausgebildet sein, dass zwischen einem Kernbereich und einem Mantelbereich mindestens ein weiterer Zwischenmantelbereich ausgebildet ist. In diesem Fall sollten mindestens zwei der bezeichneten Bereiche eine unterschiedliche Porenstruktur aufweisen. So kann der Kernbereich eine gröbere, der Zwischenmantelbereich eine feinere und der Mantelbereich wiederum eine gröbere Porenstruktur aufweisen. Es können aber auch alle Kern-, Zwischenmantel- und Mantelbereiche eine unterschiedliche Porenstruktur aufweisen, so dass ein bestimmtes Stufungsmaß zwischen den einzelnen Bereichen eingestellt werden kann.

Daneben besteht aber auch die Möglichkeit, mehrere Kernbereiche in einen solchen Mantelbereich einzubetten. Dabei sollten die einzelnen Kernbereiche in Abständen zueinander angeordnet sein.

Für den Fall, dass diese Kernbereiche eine feinere Porenstruktur als im Mantelbereich aufweisen, ist es vorteilhaft diese in ihrem Inneren hohl auszubilden, so dass die einzelnen Kernbereichselemente relativ dünnwandig ausgebildet sind und dementsprechend eine geringe Drosselwirkung für das durchströmende Abgas aufweisen. Bei einer solchen Struktur in Zylinderform können dann die einzelnen Kernbereichselemente hülsenförmig ausgebildet und in das Mantelbereichsmaterial eingebetten und von diesem allseitig umschlossen sein, so dass die Zu- oder Abführung des Abgases durch den inneren freien Querschnitt solcher hülsenförmigen Kernbereichselemente erfolgen kann.

Der offenporige Keramikschaum, der den Kern- und den Mantelbereich bildet, kann vorteilhaft aus SiC durch Sinterung und/oder aus SiSiC durch Reaktionsbindung hergestellt werden.

Die Herstellung kann im Wesentlichen nach dem an sich bekannten Schwartzwalder Verfahren, wie beispielsweise in US 30 90 094 beschrieben ist, erfolgen.

Dabei wird ein polymerer geschäumter Körper, bevorzugt aus Polyurethan mit einer Ausgangspulver enthaltenden Suspension getränkt, wobei in dieser Suspension ein Feststoffgehalt von 50 bis 85 Masse-% eingehalten werden sollte. Überflüssige Suspension kann wieder entfernt werden, um eine gleichmäßige Benetzung der Schaumoberfläche zu erreichen.

Eine solche Suspension kann aus Wasser und im Wesent lichen aus pulverförmigem SiC bzw. zusätzlich zu diesem SiC-Pulver auch Siliciumpulver sowie gegebenenfalls an sich bekannte Sinterhilfsmittel enthalten. Nach dem Tränken eines solchen polymeren Schaumkörpers kann eine Trocknung und eine nachfolgende Temperaturbehandlung zur Ausbildung einer offenporigen Schaumstruktur durchgeführt werden, wobei letztgenannte Wärmebehandlung vorteilhaft in reduzierender oder inerter Atmosphäre und bei Temperaturen zwischen 600 und 2300 °C erfolgen kann. Dabei werden die organischen Komponenten thermisch zersetzt und ausgetrieben, so dass der offenporige Keramikschaum ausschließlich aus dem eingesetzten keramischen Komponenten gebildet wird.

Das Ausgangspulver sollte mit einer Körnung im Bereich von ca. 1 bis 30 μm eingesetzt werden, wobei zwei oder auch mehrere Körnungsmaxima berücksichtigt werden können.

Das aus Kern- und Mantelbereich gebildete Element kann vorteilhaft so hergestellt werden, dass jeweils eine gleiche Suspension für das Tränken eines polymeren Schaumkörpers mit unterschiedlicher Porenstruktur, nämlich einer feineren und einer gröberen eingesetzt werden.

Die so getränkten Schaumkörper sind verformbar, so dass der den Mantelbereich ausbildende Schaumkörper und den den Kernbereich ausbildenden Schaumkörper verformt und mit diesem z.B. durch Adhäsionskräfte verbunden werden kann.

Die Sinterung bzw. Reaktionsbindung eines solchen Elementes kann dann gleichzeitig erfolgen.

Ein in dieser Form hergestelltes Element kann dann eine spezifische Oberfläche im Bereich von 3 bis 90 cm²/cm³, bevorzugt im Bereich von 5 bis 70 cm²/cm³ aufweisen. Die Dichte liegt im Bereich zwischen 0,2 bis 0,6 g/cm³ und sowohl der Kern, wie auch der Mantelbereich weisen eine offene Porosität von 60 bis 95%, bei jeweils unterschiedlicher Porenstruktur auf. Bevorzugterweise sollte die offene Porosität von Kern- und Mantelbereich nahezu gleich gehalten werden, um die Drosselwirkung gegenüber dem durch die beiden Bereiche geführten Abgas möglichst konstant und gleich zu halten.

Der Bereich mit der gröberen Porenstruktur sollte wenigstens 5 und maximal 30, bevorzugt ca. 10 ppi aufweisen. Der Bereich, in dem die feinere Porenstruktur eingestellt worden ist, sollte mindestens 50 und maximal 100 ppi, bevorzugt jedoch zwischen 60 und 90 ppi aufweisen. Ein Keramikschaum mit noch feinerer Porenstruktur kann z.B. unter Verwendung verpresster Polyurethanschäume hergestellt werden.

Der Ausdehnungskoeffizient eines solchen Keramikschaumes liegt im Bereich zwischen 4,3 bis 4, 8×10^–6/K.

Der Bereich mit der feineren Porenstruktur kann als Partikelfilter fungieren und sollte möglichst, wie nachfolgend noch erläutert werden wird, den Mantelbereich bilden.

Der Bereich mit der gröberen Porenstruktur kann zumindest bereichsweise mit einem katalytisch wirkenden Element, wie beispielsweise Platin und/oder Rhodium oberflächenbeschichtet werden und einen Oxidationskatalysator bilden. Es besteht aber auch die Möglich keit einen so entsprechend ausgebildeten Oxidationskatalysator vor einem aus Kern- und Mantelbereich gebildeten Element anzuordnen und das Abgas erst durch einen solchen Oxidationskatalysator, zur katalytischen Oxidation von nicht oder unvollständig verbrannten Abgaskomponenten einzusetzen. Katalytisch können beispielsweise Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und insbesondere Stickstoffmonoxid weiter oxidiert werden.

Der Bereich mit der gröberen Porenstruktur kann aber auch vollständig bzw. lediglich teilweise mit einer chemischen Verbindung an der Oberfläche beschichtet sein, wobei diese chemische Verbindung mindestens eine bestimmte Abgaskomponente durch chemische Reaktion in eine andere chemische Verbindung umwandeln kann.

Eine solche Umwandlung ist insbesondere für Stickstoffdioxid von Interesse, wobei eine solche chemische Verbindung als Speicherelement Nitrate oder Nitride bildet. Hierfür geeignet sind beispielsweise Erdalkalicarbonate, wie Bariumcarbonat. Es können aber auch Bariumoxid oder K₂O eingesetzt werden. Dadurch kann eine Umwandlung von Stickstoffdioxid, beispielsweise in Bariumnitrat erreicht werden, das dann in diesem Bereich gespeichert werden kann.

Das gebildete und im entsprechenden Bereich gespeicherte Bariumnitrat kann durch entsprechende Temperaturerhöhung zu bestimmten Zeitpunkten wieder in Stickstoffdioxid überführt werden, wobei eine Mindesttemperatur von 350 °C erreicht werden sollte.

So rückumgewandeltes Stickstoffdioxid kann entweder in die Verbrennungskraftmaschine rückgeführt, für eine Regeneration eines Partikelfilters nach dem CRT- Verfahren genutzt oder durch eine nachfolgend durchzuführende Reduktion überwiegend in reinen Stickstoff umgewandelt werden.

Insbesondere für die letztgenannte Reduktion ist es vorteilhaft zumindest einen Teilbereich des Bereiches mit der gröberen Porenstruktur mit einer aus Al₂O₃ oder einem Alumosilikat bestehenden Beschichtung zu versehen.

Letztgenannte Beschichtung kann als sogenannte „wash-coat-Schicht" bezeichnet werden.

Eine solche Al₂O₃- oder Alumosilikat-Schicht kann aber auch unmittelbar auf die Oberfläche des Keramikschaumes als Zwischenschicht aufgebracht werden, um einmal die spezifische Oberfläche zu vergrößern und zum anderen eine verbesserte Haftung der chemischen Verbindung, die beispielsweise das bereits erwähnte Speichermaterial sein kann, zu sichern.

Die bereits erwähnte Reduktion von Stickoxiden zu elementarem Stickstoff kann aber auch in einem nachgeordneten Reduktionskatalysator erreicht werden. Dabei können als katalytisch wirkende Elemente in einem solchen Reduktionskatalysator wiederum Platin und/oder Rhodium eingesetzt werden, wobei gleichzeitig auch nicht oder unvollständig verbrannte Komponenten des Abgas nachoxidiert und beispielsweise Kohlenmonoxid in Kohlendioxid umgewandelt werden können.

Ein weiter zu beachtendes Problem ist die Ablagerung von Schwefeloxiden, überwiegend in Form von SO₃, die neben der Speicherung des aus NO₂ gebildeten Nitrides oder Nitrates erfolgt, so dass die entsprechende Speicherkapazität durch die Schwefeloxide reduziert wird.

Auch hier kann eine entsprechende Temperaturerhöhung zum Austreiben gebundene Schwefelverbindungen genutzt werden, wobei jedoch deutlich höhere Temperaturen von mindestens 550 °C erforderlich sind.

Die bereits erwähnte Temperaturerhöhung, die für eine Regeneration des Bereiches für den Partikelfilter, das Austreiben von Stickstoffverbindungen und von Schwefelverbindungen erforderlich ist, kann durch Beeinflussung der Verbrennungsbedingungen der Verbrennungskraftmaschine erreicht werden. So kann über einen bestimmten Zeitraum eine Kraftstoffnacheinspritzung eingesetzt werden.

Eine entsprechende Beeinflussung der Verbrennung der Verbrennungskraftmaschine kann in relativ einfacher Weise nach Ablauf eines vorgegebenen Betriebsdauerintervalls initiiert werden.

Der Kraftstoffverbrauch kann aber zusätzlich reduziert werden, wenn eine entsprechende Beeinflussung der Verbrennung mit Hilfe eines Sensors, der an eine entsprechend elektronische Steuerung angeschlossen ist, durchgeführt wird. Ein solcher Sensor kann beispielsweise die Konzentration einer Abgaskomponente, wie die NO_x-Konzentration sein, so dass die Umstellung von mageren auf fetteren Betrieb zur Erreichung der gewünschten Temperaturerhöhung nach Überschreiten eines vorgebbaren Schwellwertes der jeweiligen Konzentration durchgeführt werden kann, um Voraussetzung für eine nachfolgende Reduktion zu erfüllen.

Geeignete Sensoren sind aber auch Druck- bzw. Temperatursensoren oder auch eine entsprechend angeordnete λ-Sonde.

Eine Reduzierung der für den als Partikelfilter genutzten Bereichs des erfindungsgemäßen Systems erforderlichen Regenerationstemperatur kann aber durch beispielsweise dem Kraftstoff zugegebene Additive erreicht werden, so dass eine Regeneration eines solchen Partikelfilters mit solchen Additiven bereits bei Temperaturen oberhalb 400 °C durchführbar ist.

Insbesondere letztgenannter Aspekt kann bei Einsatz eines zusätzlichen Heizelementes, auf das bei der Beschreibung von Ausführungsbeispielen näher eingegangen werden soll, bedeutsam sein und es kann dadurch der zusätzliche Kraftstoffverbrauch reduziert werden. Da der SiC- oder SiSiC-Keramikschaum auch elektrisch leitfähig sein kann, besteht die Möglichkeit, beispielsweise den Mantelbereich direkt elektrisch zu beheizen.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann, wie bereits vorab zum Ausdruck gebracht worden ist, eine flexible Möglichkeit, hier insbesondere durch den möglichen modularen Aufbau, bei der Abgasnachbehandlung dem Anwender zur Verfügung gestellt werden.

Des Weiteren kann das erfindungsgemäße System kompakt aufgebaut sein und demzufolge nur einen relativ kleinen Raumbedarf erfordern, so dass es für den mobilen Einsatz in Kraftfahrzeugen ohne weiteres geeignet ist.

Durch den modular möglichen Aufbau bzw. auch die flexible Ausbildung können ausgewählte Komponenten, aber auch die im Wesentlichen durch den Gesetzgeber limitierten Schadstoffkomponenten, wie Partikel, Stick oxide, Kohlenmonoxid sowie unverbrannte Kohlenwasserstoffe deutlich reduziert werden.

Für die einzelnen Systemkomponenten können offenporige Keramikschaumstrukturen eingesetzt werden, deren Materialeigenschaften, Porositäten und Porenstrukturen durch sehr weite Variationsmöglichkeiten bei der Herstellung aufeinander abgestimmt werden, so dass insbesondere bezüglich der Strömungsverhältnisse des durch ein solches System geführten Abgases keine scharfen Grenzflächen auftreten.

Insbesondere für die Partikelfiltration können sehr günstige Verhältnisse erreicht werden, so dass auch kleinste Partikel aus dem Abgasstrom separiert werden.

Wie bereits angedeutet, kann der mit einem erfindungsgemäßen System hervorgerufene Abgasgegendruck in einem Bereich, der für den Betrieb der jeweiligen Verbrennungskraftmaschine günstig ist, gehalten werden.

Durch die Keramikschaumstrukturen wird bei ausreichender mechanischer und thermischer Festigkeit auch eine relativ kleine Masse für ein solches System erreicht. Des weiteren kann die Schallemission durch entsprechende absorbierende Eigenschaften reduziert werden.

Obwohl die spezifische Oberfläche durch das bereits erwähnte „wash-coat" zusätzlich erhöht werden kann, liegt die spezifische Oberfläche der erfindungsgemäß einzusetzenden offenporigen Schaumkeramikstrukturen bereits im für die Abgasnachbehandlung günstigen hohen Bereichen.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft mit Hilfe von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 in einer Teilschnittdarstellung eine mögliche Ausführung eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Systems zur Nachbehandlung von Abgasen und
2 in schematischer Form einen Schnitt durch ein komplexes System, als ein weiteres Beispiel der erfindungsgemäßen Lösung.
1 zeigt in einer Teilschnittdarstellung eine Möglichkeit zur Ausbildung eines erfindungsgemäßen Systems zur Nachbehandlung von Abgasen, die aus Verbrennungskraftmaschinen austreten.
Ein wesentlicher Teil dieses Systems besteht aus einem hier zylinderförmigen Kernbereich 7 aus einer offenporigen SiC-Schaumkeramik mit einer Porenstruktur, die ca. bei 10 ppi liegt. Dieser zylinderförmige Kernbereich 7 ist von einem Mantelbereich 6 umschlossen, der ebenfalls aus einer SiC-Schaumkeramik mit einer offenporigen Porenstruktur von 60 bis 70 ppi ausgebildet ist. Diese Schaumkeramik des Kernbereichs 7 und des Mantelbereichs 6 weisen die gleiche Materialzusammensetzung und gleiche Bindungstypen auf. Vorteilhaft sind der Kernbereich 7 mit dem Mantelbereich 6 in Zylinderform ausgebildet.
Wie mit den Pfeilen angedeutet, gelangt das Abgas der Verbrennungskraftmaschine durch die in 1 links angeordnete Stirnfläche in den Kernbereich 7, wobei die gegenüberliegend angeordnete Stirnfläche des Kernbereichs 7 und die entsprechende Stirnfläche des Mantelbereichs 6 mit einer Dichtung 10 gasdicht verschlossen sind.
Der die feinere Porenstruktur aufweisende Mantelbereich 6 fungiert hier als Partikelfilter und nimmt Partikel, die im aus der Verbrennungskraftmaschine austretenden Abgas enthalten sind, auf.
Wie bereits angedeutet, ist eine Regeneration eines solchen Partikelfilters in mehr oder wenigen großen Abständen erforderlich, da durch Zunahme der aufgenommenen Partikel der Partikelfilter zugesetzt wird, so dass sich der Abgasgegendruck in ungünstiger Weise erhöhen kann.
Die im Mantelbereich 6, als Partikelfilter aufgenommenen Partikel können durch eine entsprechende Temperaturerhöhung oxidiert und so der Partikelfilter regeneriert werden.
Für eine solche Temperaturerhöhung ist bei dem in 1 gezeigten Beispiel ein zusätzliches Heizelement 4 vorgesehen. Dieses Heizelement 4 kann vorteilhaft aus einem elektrisch leitenden sowie eine feinporige Struktur ausbildenden Material ausgebildet sein, so dass in ihm eine Feinstfilterung zusätzlich zur Beheizung für die Regeneration des Mantelbereichs 6, als Partikelfilter erreichbar ist. Mit dem Elektroanschluß 12 soll angedeutet werden, dass beispielsweise eine elektrische Spannung an ein solches Heizelement 4 angelegt werden kann und das Heizelement 4 eine elektrische Widerstandsheizung zusätzlich zur Feinstfiltration darstellen kann.
Neben dem Dichtelement 10 an der einen Stirnflächenseite ist bei diesem Beispiel ein zweites Dichtelement 11 vorhanden, mit dem auch die zweite Stirnfläche des Mantelbereichs 6 gasdicht verschlossen werden kann. Die Dichtelemente 10 und 11 überdecken und halten außerdem das Heizelement 4 und bestehen aus diesem Grunde aus einem elektrisch nicht leitenden Material bzw. sind mit einem solchen Material entsprechend beschichtet. Bei der Materialauswahl muß außerdem beachtet werden, dass dieses eine ausreichende Temperaturbeständigkeit aufweist.
In nicht dargestellter Form kann aber auch der Mantelbereich 6 gegenüber dem Kernbereich 7 verkürzt sein, so dass nicht die gesamte radial äußere Mantelfläche des Kernbereichs 7 vom Mantelbereich 6 überdeckt ist.
Der nicht überdeckte Bereich des Kernbereichs 7 ist dann ausgehend von der in 1 links angeordneten Stirnfläche des Kernbereichs 7 angeordnet, wobei in diesem Fall der entsprechend vom Mantelbereich 6 freie Bereich der äußeren Mantelfläche des Kernbereichs 7, hier ausgehend von der linken Stirnfläche bis bis etwa zum dargestellten Elektroanschluss 12, gasdicht abgeschlossen sein sollte. Mit einer solchen Ausführungsform besteht die Möglichkeit, den Abgasstrom vorab über eine entsprechende Mindestwegstrecke durch das offenporige Keramikschaummaterial des Kernbereichs 7 zu führen, bevor es in den Mantelbereich 6 zur Partikelfiltration gelangen kann.
In ebenfalls nicht dargestellter Form kann das in 1 gezeigte einteilige Element, das aus Kernbereich 7 und Mantelbereich 6 gebildet ist, durch mehrere hintereinander angeordnete ebenfalls jeweils aus Kernbereich 7 und Mantelbereich 6 gebildete Segmente ersetzt werden.
Dabei besteht zum einen die Möglichkeit, diese einzelnen Segmente mit Kernbereichen 7 und Mantelbereichen 6 auszubilden, die jeweils unterschiedliche Porenstrukturen in feinerer bzw. gröberer Form aufweisen.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Oberflächen der offenporigen Keramikschaumstruktur der Kernbereiche 7 der einzelnen Segmente an ihren Oberflächen mit unterschiedlichen Elementen oder chemischen Verbindungen zu versehen. Solche einzelne Segmente können dann als Katalysatoren, Speicherelemente oder zur chemischen Umwandlung und Speicherung bestimmter Abgaskomponenten genutzt werden.
In 2 ist ein relativ komplex ausgebildetes Beispiel für ein erfindungsgemäßes System dargestellt.
Das aus der Verbrennungskraftmaschine austretende Abgas gelangt über den Gaseintrittsstutzen 1 in einen Oxidationskatalysator 2, der ebenfalls aus einer offenporigen SiC-Schaumkeramik gebildet ist, an deren Oberfläche Platin und Rhodium als katalytisch wirkende Elemente angeordnet sind. Im Oxidationskatalysator 2 werden neben der Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen insbesondere Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid nachoxidiert. Das so vorbehandelte Abgas gelangt in einen aus dem gleichen Keramik-Schaum gebildeten Kernbereich 7, der als Stickoxidspeicher ausgebildet ist. Der Kernbereich 7 weist eine Porenstruktur von ca. 10 ppi auf und ist an seiner Oberfläche neben Al₂O₃ auch mit BaCO₃ versehen, so dass die an sich bekannte chemische Umwandlung von Stickstoffdioxid in Bariumnitrat erfolgen und das Bariumnitrat temporär im Kernbereich 7 zwischengespeichert werden kann.
Neben dem durch chemische Umwandlung gebildeten und gespeicherten Bariumnitrat setzt sich an der Oberfläche im Kernbereich 7 auch Schwefelsalz ab.
Das Austreiben des als Nitrat gebundenen Stickstoffes sowie der Schwefelverbindungen kann durch entsprechende Temperaturerhöhung erreicht werden.
Der Mantelbereich 6 ist, wie beim Beispiel nach 1 wiederum als Partikelfilter aus dem gleichen Material, mit der gleichen Porosität und der gleichen Porenstruktur ausgebildet und kann mit Hilfe des elektrischen Heizelementes 4 entsprechend regeneriert werden, wobei zusätzlich die Temperaturerhöhung durch Beeinflussung der Verbrennung der Verbrennungskraftmaschine mit einhergehender Erhöhung der Abgastemperatur durchgeführt werden kann. Mit 2 wird deutlich, dass das Heizelement 4 ebenfalls zylinderförmig ausgebildet ist und den Mantelbereich 6 umhüllt.
Das aus dem Mantelbereich 6, als Partikelfilter durch das elektrische Heizelement 4, als zusätzlicher Feinstfilter geführte Abgas wird innerhalb des Gehäuses 5 in Richtung Gasaustrittsstutzen 9 geführt, wobei es vorher einen Katalysator 8 durchströmt. Mit Hilfe des Katalysators 8 können die bis dahin nicht oder nur unvollständig oxidierten Abgaskomponenten entsprechend weiter oxidiert sowie Stickoxide reduziert werden.
Aus dem Gasaustrittstutzen 9 tritt ein von schädli chen Abgaskomponenten nahezu freies Abgas aus und kann in dieser Form an die Umwelt abgegeben werden.
Im Katalysator 8 ist wiederum mindestens ein katalytisch wirkendes Element, bevorzugt Platin und/oder Rhodium auf der Oberfläche eines ebenfalls bevorzugt wieder einzusetzenden offenporigen Keramik-Schaummaterials ausgebildet, wobei auch hier eine gröbere Porenstruktur von ca. 10 ppi gewählt werden sollte.

Claims

System für die Nachbehandlung von Verbrennungskraftmaschinenabgasen, bei dem Abgas durch einen durch Sinterung oder Reaktionsbindung hergestellten offenporigen Keramikschaum, mit lokal definierter unterschiedlicher Porenstruktur, die durch die unterschiedlichen Größen der einzelnen Poren und die Anzahl der Poren pro Fläche oder Volumen charakterisiert ist, geführt ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas durch mindestens einen Kernbereich (7) und einen um den Kernbereich (7) ausgebildeten Mantelbereich (6) geführt ist, wobei der Mantelbereich (6) und der Kernbereich (7) aus einem durch Sinterung oder Reaktionsbindung hergestellten offenporigen Keramikschaum mit jeweils unterschiedlicher Porenstruktur gebildet sind.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas durch einen Kernbereich (7), mindestens einen um den Kernbereich (7) ausgebildeten Zwischenmantelbereich und einen Mantelbereich (6) geführt ist, wobei mindestens zwei dieser Bereiche eine voneinander abweichende Porenstruktur aufweisen.
System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelbereich (6) den Kernbereich (7) unmittelbar umschließt.
System nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelbereich (6) und der Kernbereich (7) aus einem SiC-und/oder SiSiC-Keramikschaum gebildet sind
System nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelbereich (6) oder der Kernbereich (7) einen Partikelfilter bildet und eine Porenstruktur von mindestens 50 ppi aufweist.
System nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche des Mantelbereichs (6) oder Kernbereichs (7) mit der gröberen Porenstruktur bis zu 30 ppi mindestens ein katalytisch wirkendes Element oder eine chemisch mit mindestens einer Abgaskomponente reagierende chemischen Verbindung aufgebracht ist.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das/die chemische Element (e) Platin und/oder Rhodium ist/sind.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine chemische Verbindung, die auf die Oberfläche aufgebracht ist, ein Speichermaterial für eine reaktiv aus NO₂ gebildete Verbindung ist.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Speicherelement nitratbildendes BaCO₃, BaO oder K₂O ist.
System nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche allein oder als Zwischenschicht mit Al₂O₃ oder einem Alumosilikat beschichtet ist.
System nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Eintritt für Abgas in den Kernbereich (7) ein Oxidationskatalysator (2) angeordnet ist.
System nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Eintritt für Abgas gegenüberliegenden Stirnflächen von Mantelbereich (6) und Kernbereich (7) gasdicht verschlossen sind.
System nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an Kernbereich (7) und Mantelbereich (6) ein Katalysator (8) angeordnet ist.
System nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Partikelfilter ausgebildeter Mantelbereich (6) von einem elektrischen Heizelement (4) umgeben oder direkt elektrisch beheizbar ist.
System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (4) feinporig aus einem elektrisch leitenden Material gebildet ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion mindestens einer Abgaskomponente und/oder einer physikalischen Größe mindestens ein Sensor zur Regelung der Verbrennung der Verbrennungskraft maschine mit einer elektronischen Steuerung verbunden ist.
System nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernbereich (7) an seiner äußeren Oberfläche, ausgehend von seiner eintrittsseitigen Stirnfläche in einem Bereich gasdicht verschlossen ist und sich an diesen gasdichten Bereich der Mantelbereich (6) anschließt.
System nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die eintrittsseitige Stirnfläche des Mantelbereiches (6) gasdicht verschlossen ist.
System nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität von Mantelbereich (6) und Kernbereich (7) jeweils im Bereich von 60 bis 95% liegt.
System nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere aus Mantelbereich (6) und Kernbereich (7) gebildete Segmente nacheinander angeordnet sind.
Verfahren zur Nachbehandlung von Verbrennungskraftmaschinenabgasen, bei dem Abgas durch einen durch Sinterung oder Reaktionsbindung hergestellten offenporigen Keramikschaum geführt wird, dessen Porenstruktur lokal definiert im Bereich 5 bis 100 ppi eingestellt und mit einem Bereich, dessen Porenstruktur mindestens 50 ppi aufweist, Partikel aus dem Abgas gefiltert werden.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas durch ei nen aus jeweils einem offenporigen durch Sinterung oder Reaktionsbindung hergestellten Keramikschaum gebildeten mindestens einen Kernbereich (7) und einen Mantelbereich (6) geführt wird und mit dem Mantelbereich (6) oder dem Kernbereich (7) dessen Porenstruktur mindestens 50 ppi aufweist, Partikel aus dem Abgas gefiltert werden.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas durch ein aus jeweils einem offenporigen durch Sinterung oder Reaktionsbindung hergestellten Keramikschaum gebildeten Kernbereich (7) und einem Mantelbereich (6) geführt und mit dem Mantelbereich (6) oder dem Kernbereich (7) dessen Porenstruktur bis zu 30 ppi erreicht NO₂ durch chemische Reaktion umgewandelt und gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vorgeschalteten Oxidationskatalysator (2) und/oder einem entsprechend modifizierten Kernbereich (7) oder Mantelbereich (6) CO, Kohlenwasserstoffe und/oder Stickstoffmonoxid katalytisch oxidiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass im Mantelbereich (6) oder Kernbereich (7) mit einem auf der Oberfläche des Keramikschaumes vorhandenen Speicherelement NO₂ chemisch umgewandelt und in dieser Form gespeichert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass für die Regenerati on des Mantelbereichs (6) oder Kernbereichs (7) als Partikelfilter die Temperatur auf mindestens 250 °C erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass für die Freisetzung von in ein Nitrat umgewandelten und gespeicherten Stickstoff die Temperatur auf mindestens 350 °C erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche des Mantelbereichs (6) oder Kernbereichs (7) gebundende Schwefelverbindungen durch Temperaturerhöhung auf mindestens 550 °C ausgetrieben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung der Temperatur jeweils nach Erreichen einer vorgebbaren Betriebsdauer durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerhöhung nach Überschreiten mindestens eines Schwellwertes eines von einem Sensor erfassten Mess-Signals für eine Abgaskomponente bzw. einer physikalischen Größe durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerhöhung durch Beeinflussung der Verbrennungsbedingungen der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerhö hung durch Einschalten eines elektrischen Heizelementes (4) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass eine katalytische Nachbehandlung in einem Katalysator (8) durchgeführt wird.