DE102004028276A1 - Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine Download PDF

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Abstract

Eine Vorrichtung (3) zur Reinigung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine (1) weist einen Partikelfilter (4) auf, der mit einer katalytisch aktiven Beschichtung (8) versehen ist. Die katalytisch aktive Beschichtung (8) weist ein Trägermaterial (9) und ein mit dem Trägermaterial (9) verbundenes, zumindest an der Oberfläche desselben vorliegendes, eisenhaltiges Material (10) auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Abgasanlage für eine Verbrennungskraftmaschine.
  • Aus der DE 37 16 446 A1 ist ein katalytischer Dieselrußfilter bekannt, welcher eine katalytisch aktive Beschichtung aus metalldotiertem Zeolith aufweist. Vorzugsweise ist der Zeolith mit einem Metall der Gruppe IB, IIB, VB, VIB oder VIIB des Periodensystems oder einer Kombination derselben beladen, wobei vorzugswei se Nickel, Kupfer, Mangan, Vanadium, Silber oder eine Kombination derselben verwendet wird.
  • Problematisch bei diesem bekannten Filter ist jedoch, dass die gewünschte Wirkung erst dann einsetzt, wenn ein Reduktionsmittel zugegeben wird, was jedoch einen verhältnismäßig großen Aufwand darstellt. Ein weiterer Nachteil dieses bekannten Partikelfilters ist die Tatsache, dass in dem Abgas enthaltene NO-Moleküle erst oberhalb einer Temperatur von 400°C zu N2 umgesetzt werden, was entweder eine sehr motornahe Anordnung dieses Partikelfilters oder die Erzeugung von hohen Temperaturen in der Abgasleitung notwendig macht.
  • Bei aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Abgasreinigung ist häufig ein zusätzliches Reduktionsmittel, wie z.B. Harnstoff oder ein Kohlenwasserstoff, erforderlich, um die Umsetzung von NOx zu erzielen, was jedoch mit zusätzlichem Aufwand und höheren Kosten verbunden ist.
    •
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, welche auch bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen eine sehr gute Reinigungswirkung zeigt und bei welcher auf ein zusätzliches Reduktionsmittel verzichtet werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
  • Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass ein mit dem Trägermaterial verbundenes, an der Oberfläche desselben vorliegendes, eisenhaltiges Material als katalytisch aktive Substanz eine bezüglich der Umsetzung der Abgase sehr gute Wirkung besitzt. So konnte festgestellt werden, dass durch die erfindungsgemäße Zusammensetzung der katalytisch aktiven Beschichtung Stickstoffoxide zur Reaktion mit den im Abgas vorhandenen Rußpartikeln angeregt werden; wobei bereits bei Temperaturen von ca. 220°C eine Reduzierung von NOx zu N2, also eine Stickstoffbildung, festgestellt wurde und in dem die Vorrichtung verlassenden Abgas annä hernd keine schädlichen NO-Moleküle mehr enthalten sind, wobei auf ein zusätzliches Reduktionsmittel verzichtet werden kann.
  • Dabei werden die in dem Abgas enthaltenen Rußpartikel in an sich bekannter Weise an dem Partikelfilter festgehalten und so daran gehindert, die Abgasleitung, in der die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise eingebaut ist, zu verlassen. Gleichzeitig dienen die an den Poren des Partikelfilters festgehaltenen Rußpartikel zu der oben beschriebenen Reduktion der Stickstoffoxide, sodass sich die Rußmenge weitaus weniger stark erhöht als bei bekannten Partikelfiltern und dementsprechend erheblich seltener eine Regeneration desselben erforderlich ist. Vorteilhafterweise bewirkt die katalytische Beschichtung mit dem eisenhaltigen Material zusätzlich zu der Auslösung dieser Reaktionen auch eine Verringerung der Zündtemperatur des Rußes.
  • Es ergaben sich hierbei folgende Reaktionsgleichungen: 2NO + C -> N2 + CO2 bzw. 2NO2 + 2C -> N2 + 2CO2
  • Besonders hervorzuheben ist der Effekt der simultanen Stickstoffoxid-Reduktion und der Ruß-Oxidation im Abgas der Verbrennungskraftmaschine, der eine besonders gute Reinigung des Abgases zur Folge hat und somit die Einhaltung verschärfter Abgasgrenzwerte erlaubt.
  • Als bezüglich der katalytischen Reaktionen besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn das eisenhaltige Material Eisenoxid aufweist. Eisenoxid ist ein sehr guter Oxidationskatalysator für Ruß und ist vorteilhafterweise nicht toxisch.
  • Hierbei kann es besonders vorteilhaft sein, wenn das eisenhaltige Material zu 100 % aus Eisenoxid besteht.
  • Alternativ ist auch eine gute Reinigungswirkung zu erwarten, wenn das eisenhaltige Material Reineisen aufweist.
  • Analog ist auch hier denkbar, dass das eisenhaltige Material zu 100 % aus Reineisen besteht.
  • Eine verbesserte Reaktion der Abgasbestandteile und somit eine besonders gute Reinigungswirkung konnte beobachtet werden, wenn die katalytisch aktive Beschichtung ein Edelmetall aufweist.
  • Wenn in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung das Trägermaterial ein Zeolith ist, so führt dies zusammen mit dem oben beschriebenen eisenhaltigen Material der katalytisch aktiven Beschichtung zu besonders zu bevorzugenden Reaktionen.
  • Eine Abgasanlage für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen ist in Anspruch 21 angegeben.
    •
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
  • Es zeigt:
  • 1 eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasleitung, in der eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Reinigung der Abgas der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist; und
  • 2 eine schematische Darstellung des Schichtaufbaus einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
  • Eine Verbrennungskraftmaschine 1 ist mit einer Abgasanlage 2 versehen, die eine Abgasleitung 2a aufweist, durch die in der Verbrennungskraftmaschine 1 in an sich bekannter Weise produzierte Abgase abgeführt werden. In der Abgasleitung 2a ist eine Vorrichtung 3 zur Reinigung der Abgase der Verbrennungskraftmaschine 1 angeordnet, welche nachfolgend ausführlicher beschrieben wird. Bei der Verbrennungskraftmaschine 1 handelt es sich vorzugsweise um eine nach dem Dieselprinzip arbeitende Verbrennungskraftmaschine, in. deren Abgas neben anderen Schadstoffen Rußpartikel enthalten sind.
  • Die Vorrichtung 3 weist einen stark schematisiert dargestellten Partikelfilter 4 auf, der vorzugsweise aus Keramik, wie z.B. Siliziumkarbid, besteht, der jedoch auch aus Aluminiumoxid oder einem anderen geeigneten Material bestehen kann. Der Partikelfilter 4 seinerseits weist mehrere Einlasskanäle 5 und Auslasskanäle 6 auf, die wechselseitig verschlossen sind. Die Einlasskanäle 5 und die Auslasskanäle 6 sind durch jeweilige, mittels gestrichelter Linien angedeutete Wandungen 7 voneinander getrennt, sodass die Abgase die Wandungen 7 durchströmen müssen, um von den Einlasskanälen 5 in die Auslasskanäle 6 zu gelangen und auf diese Weise den Partikelfilter 4 zu verlassen. Hierzu ist das Material der Wandungen 7 des Partikelfilters 4 in an sich bekannter Weise porös ausgebildet, so dass die gasförmigen Abgasbestandteile die Wandungen 7 durchströmen können, die Rußpartikel jedoch an denselben verbleiben bzw. abgeschieden werden.
  • Wie in der schematischen Darstellung gemäß 2 erkennbar ist, ist der Partikelfilter 4 bzw. die denselben bildenden Wandungen 7 mit einer katalytisch aktiven Beschichtung 8 versehen, welche ein Trägermaterial 9 und ein mit dem Trägermaterial 9 verbundenes, an der Oberfläche desselben vorliegendes, eisenhaltiges Material 10 aufweist. Das Trägermaterial 9 der katalytisch aktiven Beschichtung 8 ist mittels eines Bindemittels 11, vorzugsweise Siliziumoxid, mit dem Partikelfilter 4 verbunden. Als Bindemittel 11, das sich einerseits mit dem Material des Partikelfilters 4 verbindet und andererseits der katalytisch aktiven Beschichtung 8 ausreichend Halt gibt, kann zum Beispiel auch Aluminiumoxid (Al2O3), Titanoxid (TiO2) oder ein anderes geeignetes Material eingesetzt werden. Zur Verbindung der katalytisch aktiven Beschichtung 8 mit dem Partikelfilter 4 über das Bindemittel 11 können an sich bekannte und daher nachfolgend nicht näher erläuterte Verfahren zur Anwendung kommen. Die in 2 dargestellten Schichtdicken sind selbstverständlich als rein beispielhaft anzusehen.
  • Das eisenhaltige Material 10 kann in einer Ausführungsform der Vorrichtung 3 Eisenoxid aufweisen, es ist in diesem Zusammenhang auch möglich, dass das eisenhaltige Material 10 zu 100 % aus Eisenoxid besteht. Alternativ ist es ebenfalls möglich, dass das eisenhaltige Material 10 Reineisen aufweist bzw. zu 100 aus Reineisen besteht. Des weiteren ist auch eine Mischung aus Eisenoxid und Reineisen zur Bildung des eisenhaltigen Materials 10 möglich. Zusätzlich können Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Kobalt, Nickel, Kupfer, Zink, Zirkonium, Niob, Wolfram und/oder Rhenium in dem eisenhaltigen Material 10 enthalten sein, wobei Eisenoxid oder Reineisen stets den größten Bestandteil des eisenhaltigen Materials 10 stellen.
  • Zur Verbindung des eisenhaltigen Materials 7 mit dem Trägermaterial 9 kann das an sich bekannte Ionenaustauschverfahren eingesetzt werden, es ist jedoch auch möglich, das Trägermaterial 9 mit dem eisenhaltigen Material 10 mittels eines Beschichtungsverfahrens zu verbinden.
  • Im vorliegenden Fall weist die katalytisch aktive Beschichtung 8 zusätzlich zu dem Trägermaterial 9 und dem eisenhaltigen Material 10 ein Edelmetall 12 auf, welches im dargestellten Fall als zusätzliche Schicht auf die katalytisch aktive Beschichtung 8 aufgebracht ist. In nicht dargestellter Weise ist es auch möglich, das Edelmetall 12 in der katalytisch aktiven Beschichtung 8 zu verteilen. Als Edelmetall 12 wird vorzugsweise Platin verwendet, es könnte jedoch auch die Verwendung von Ruthenium, Rhodium, Palladium, Silber, Osmium, Iridium oder Gold vorgesehen sein. Das Edelmetall 12 kann als Oxid oder als reines Element vorhanden sein.
  • Das Trägermaterial 9 besteht vorzugsweise aus einem amorphen oder kristallinen Alumosilikat, beispielsweise aus einem β-Zeolith, einem Zeolith des Typs Y oder einem Zeolith des Typs ZSM5. Dieses poröse, eine sehr große Oberfläche aufweisende Trägermaterial 9 ist mit dem eisenhaltigen Material 10 modifiziert. In der Praxis hat sich ein kristalliner β-Zeolith als besonders geeignet erweisen, insbesondere weil er sich auch nach längerer Zeit, in der er dem Abgas ausgesetzt ist, nicht zersetzt und gerade mit dem eisenhaltigen Material 10 eine äußerst gute Wirkung der katalytisch aktiven Beschichtung 8 hervorruft. Alternativ wäre es auch möglich, für das Trägermaterial 9 amorphes Siliziumoxid (SiO2) zu verwenden, wobei dessen Gerüststruktur beispielsweise vom Typ MCM41 sein kann.
  • Die Wirkungsweise der Vorrichtung 3 ist folgendermaßen: An dem Partikelfilter 4 setzen sich die in dem Abgas enthaltenen Rußpartikel ab und reduzieren durch die Einwirkung der katalytisch aktiven Beschichtung 8 die in dem Abgas enthaltenen NO2- und NO-Moleküle zu N2-Molekülen, wobei zugleich der die Rußpartikel im wesentlichen bildende Kohlenstoff zu CO2 oxidiert. Es gelten dabei nachfolgende Reaktionsgleichungen bzw. zumindest eine derselben: 2NO + C -> N2 + CO2 bzw. 2NO2 + 2C -> N2 + 2CO2
  • Dies bedeutet, dass in dem die Vorrichtung 3 verlassenden Abgas nur noch eine erheblich verringerte Menge an NOx-Molekülen und im wesentlichen nur N2-Moleküle enthalten sind, und dass gleichzeitig die Rußpartikel an dem Partikelfilter 4 abgeschieden und danach durch NO und NO2 oxidiert werden. Durch die Einwirkung des eisenhaltigen Materials 7 in der katalytisch aktiven Beschichtung 8 laufen die beschriebenen Reaktionen bereits bei Temperaturen von ca. 220°C ab, so dass es nicht erforderlich ist, die Vorrichtung 3 besonders nah an der Verbrennungskraftmaschine 1 anzuordnen oder zusätzliche Reduktionsmittel in die Abgasleitung 2a einzuleiten. Es ist somit möglich, mittels einer einzigen Vorrichtung 3 die beiden Schadstoffe NOx und Ruß aus dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 1 zu entfernen.
  • In 1 ist außerdem dargestellt, dass der Vorrichtung 3 ein zusätzlicher, kommerziell erhältlicher Oxidationskatalysator 13, beispielsweise auf Basis von Platin, vorgeschaltet sein kann, um aus dem in dem Abgas vorhandenen NO das reaktivere NO2 zu erzeugen.

Claims (22)

  1. Vorrichtung (3) zur Reinigung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine (1), mit einem Partikelfilter (4), der mit einer katalytisch aktiven Beschichtung (8) versehen ist, wobei die katalytisch aktive Beschichtung (8) ein Trägermaterial (9) und ein mit dem Trägermaterial (9) verbundenes, zumindest an der Oberfläche desselben vorliegendes, eisenhaltiges Material (10) aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das eisenhaltige Material (10) Eisenoxid aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das eisenhaltige Material (10) zu 100 Eisenoxid ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das eisenhaltige Material (10) Reineisen aufweist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das eisenhaltige Material (10) zu 100 Reineisen ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das eisenhaltige Material (10) mittels Beschichtung mit dem Trägermaterial (9) verbunden ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das eisenhaltige Material (10) durch Ionenaustausch mit dem Trägermaterial (9) verbunden ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, dass die katalytisch aktive Beschichtung (8) ein Edelmetall (12) aufweist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Edelmetall (12) als zusätzliche Schicht auf die katalytisch aktive Beschichtung (8) aufgebracht ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, dass das Edelmetall (12) in der katalytisch aktiven Beschichtung (8) verteilt ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch ge kennzeichnet, dass das Edelmetall (12) Platin ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (9) ein Zeolith ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeolith (9) ein β-Zeolith ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (9) Siliziumoxid ist.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (9) mittels eines Bindemittels (11) mit dem Partikelfilter (4) verbunden ist.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel (11) Siliziumoxid ist.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel (11) Aluminiumoxid ist.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (4) wechselseitig verschlossene Einlasskanäle (5) und Auslasskanäle (6) aufweist.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (4) aus Keramik besteht.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch ge kennzeichnet, dass der Partikelfilter (4) aus Aluminiumoxid besteht.
  21. Abgasanlage (2) für eine Verbrennungskraftmaschine (1) mit einer Abgasleitung (2a) und einer in der Abgasleitung (2a) angeordneten Vorrichtung (3) zur Reinigung von Abgasen nach einem der Ansprüche 1 bis 20.
  22. Abgasanlage nach Anspruch 21, dadurch ge kennzeichnet, dass der Vorrichtung (3) ein Oxidationskatalysator (13) vorgeschaltet ist.
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