DE102007002840A1

DE102007002840A1 - Abgasanlage für einen Kolbenmotor

Info

Publication number: DE102007002840A1
Application number: DE102007002840A
Authority: DE
Inventors: Christoph Osemann; Bernd Reinsch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-01-19
Filing date: 2007-01-19
Publication date: 2008-07-24
Also published as: WO2008087053A3; WO2008087053A2

Abstract

Eine Abgasanlage für einen Kolbenmotor umfasst eine Oxidations-Katalysatoreinrichtung und einen nachgeschalteten Partikelfilter. Die Katalysatoreinrichtung umfasst eine Katalysatorstruktur (20) mit einer Vielzahl paralleler und an beiden Enden offener Kanäle (22). Es wird vorgeschlagen, dass die Wände (24) zwischen den Kanälen (22) eine Porosität von mindestenbs 30% aufweist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für einen Kolbenmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Vom Markt her bekannt ist eine Abgasanlage für einen selbstzündenden Kolbenmotor, die einen vorgeschalteten Dieseloxidationskatalysator, auch DOC genannt, und einen nachgeschalteten Partikelfilter, auch DPF genannt, umfassen. Für den Dieselpartikelfilter wird eine hochporöse wabenförmige Keramik verwendet mit wechselseitig verschlossenen Kanälen. Dieses Prinzip wird auch als "Wall Flow Filter Principle" bezeichnet.
Die katalytische Funktion des Dieseloxidationskatalysators wird in der Regel durch eine katalytische Schicht bewirkt, die auf ein wabenförmiges Substrat mit äußerst geringer Porosität aufgebracht wird. In diesem Substrat sind parallel angeordnete offene Kanäle vorhanden, durch die das Abgas im Betrieb der Abgasanlage hindurch strömt. Neben des oxidativen Umsatzes von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Stickoxid zur Schonung der Umwelt werden die exothermen Oxidationsreaktionen des Oxidationskatalysators auch für die thermische Regeneration des stromabwärts vom Oxidationskatalysator angeordneten Partikelfilters genutzt.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abgasanlage der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der die Emissionen des Kolbenmotors nochmals reduziert werden können, bei gleichzeitig verbessertem Wirkungsgrad des Kolbenmotors und erhöhter Lebensdauer der Anlage.
Diese Aufgabe wird durch eine Abgasanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen genannt. Weitere wichtige Merkmale sind darüber hinaus in der nachfolgenden Beschreibung angegeben und in der Zeichnung gezeigt. Die Merkmale können dabei in ganz unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wesentlich sein können, ohne dass dies gesondert erwähnt wird.
Der Erfindung liegt zu Grunde, dass erkannt wurde, dass es bei niedrigen Geschwindigkeiten des Abgases in den Kanälen zu einer Quervermischung der Abgase kommt, da in Betriebspunkten des Kolbenmotors mit geringer Abgasgeschwindigkeit Diffusionsprozesse durch die Wände hindurch über die gerichtete Strömung des Abgases dominieren. Bedingt durch die Quervermischung des Abgases scheiden sich insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten des Abgases Partikel aus dem Abgasstrom an den durchströmten und vergleichsweise porösen Wänden der Katalysatoreinrichtung ab.
Durch die erfindungsgemäße Abgasanlage wird die im Abgas transportierte und auszufilternde Rußmenge auf die Katalysatoreinrichtung und den Partikelfilter verteilt, so dass der resultierende Abgasgegendruck der Abgasanlage in allen Beladungszuständen vergleichsweise gering ist. Hierdurch wird der Wirkungsgrad des Kolbenmotors verbessert. Da der eigentliche Partikelfilter weniger schnell beladen wird, verlängern sich die Intervalle zwischen aufeinander folgenden Regenerationen des Partikelfilters, was wiederum einen geringeren Kraftstoffverbrauch des Kolbenmotors und eine damit einhergehende Ölverdünnung zur Folge hat.
Indem sich die Rußmenge mindestens auf die Katalysatoreinrichtung und den Partikelfilter verteilt, auf dem Partikelfilter also weniger Ruß abgelagert wird, wird die während einer Regeneration des Partikelfilters dort auftretende Maximaltemperatur abgesenkt, was der Lebensdauer des Partikelfilters zu Gute kommt. Dadurch, dass die Wände zwischen den Kanälen eine erhöhte Porosität aufweisen, weisen diese Wände eine geringere thermische Masse auf. Dies bedeutet, dass sie sich unmittelbar nach dem Starten des Kolbenmotors vergleichsweise schnell erwärmen, jedenfalls schneller als bisherige Katalysatorstrukturen mit geringer Porosität. Nach dem Starten des Kolbenmotors erreicht die erfindungsgemäße Katalysatoreinrichtung daher vergleichsweise schnell ihre zur Konversion der Schademissionen notwendige Temperatur, was die Gesamtemissionen im Betrieb der erfindungsgemäßen Abgasanlage reduziert. Die genannten Vorteile treten deutlich zu Tage ab einer Porosität von mindestens 30%, werden jedoch besonders prägnant bei einer Porosität von mindestens 40%.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist ein verringerter Abgasgegendruck bei gleicher Menge an katalytischer Beschichtung und somit im Grunde gleicher Leistung der Katalysatoreinrichtung. Dies gestattet eine Leistungsverbesserung des Kolbenmotors. Alternativ kann bei gleichem Abgasgegendruck die katalytische Leistung erhöht werden.
Der mittlere Porendurchmesser beträgt vorteilhafterweise mindestens 6 μm, besonders bevorzugt 15 bis 20 μm, da hierdurch die für die Querströmung der Abgase erforderliche Diffusion am wenigsten behindert wird, gleichzeitig aber bereits ausreichende Mengen von Rußpartikeln an den Wänden zwischen den Kanälen abgeschieden werden.
Als Katalysatorstruktur kommt bevorzugt ein Honeycomb-Substrat zum Einsatz mit vorzugsweise rechteckigem oder hexagonalem Kanalquerschnitt. Eine solche Katalysatorstruktur kann einfach durch Extrusion hergestellt werden. Andere Kanalquerschnittsgeometrien sind jedoch ebenfalls möglich.
Die Zelldichte sollte ungefähr 200 bis 1200 cpsi (cells per square inch) betragen, vorzugsweise 250 bis 600 cpsi. Als Wandstärke des Honeycom-Substrats wird ein Bereich von 3 bis 20 mil (milli inch), vorzugsweise 6 bis 15 mil vorgeschlagen. Mit diesen Werten wird ein Optimum aus geringem Strömungswiderstand, hoher struktureller Festigkeit und einfacher Herstellbarkeit geschaffen.
Als Material für die Katalysatorstruktur kommt Cordierit, SiF, Aluminiumtitanat, Mullit oder ein Metallgestrick in Frage. Insbesondere mit einem der vorgeschlagenen Materialien kann die erfindungsgemäße Abgasanlage den hydrothermalen und thermomechanischen Bedingungen im Betrieb des Kolbenmotors und während der Regeneration des Partikelfilters dauerhaft widerstehen.
Eine katalytische Beschichtung der Katalysatoreinrichtung ist vorteilhafterweise zur Speicherung und/oder katalytischen Umsetzung von CO, HC, NOx und/oder SOx geeignet.
Die katalytische Beschichtung kann auf den zwischen den Kanälen angeordneten Wänden und/oder den Begrenzungswänden mindestens einiger in den Wänden vorhandener Poren vorhanden sein. In dem letztgenannten Fall kann bei vorgegebener Geometrie und Zellstruktur sowie Art und Menge der katalytischen Beschichtung ein vergleichsweise geringer Abgasgegendruck realisiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 einen Bereich einer Abgasanlage eines selbstzündenden Kolbenmotors;
2 einen Schnitt durch einen Bereich einer Katalysatoreinrichtung der Abgasanlage von 1; und
3 ein Detail von 2.
Ausführungsformen der Erfindung
Ein Kolbenmotor ist in 1 insgesamt mit 10 bezeichnet, einen dazugehörige Abgasanlage mit 12. Letztere umfasst eine Oxidations-Katalysatoreinrichtung 14, die auch als Dieseloxidationskatalysator oder kurz DOC bezeichnet wird, und einen fluidisch stromabwärts von der Oxidations-Katalysatoreinrichtung 14 angeordneten Partikelfilter 16. Kolbenmotor 10, Oxidations-Katalysatoreinrichtung 14 und Partikelfilter 16 sind über ein Abgasrohr 18 miteinander verbunden. Bei dem Kolbenmotor 10 handelt es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiels also um einen Dieselmotor, die vorliegenden Ausführungen sind aber auch bei Ottomotoren oder Zwittern zwischen Diesel- und Ottomotor gültig.
Die Oxidations-Katalysatoreinrichtung umfasst, wie aus 2 hervorgeht, eine Katalysatorstruktur 20, die ein Honeycomb-Substrat mit rechteckigen oder hexagonalen und in der Mehrzahl an beiden Enden offenen sowie nebeneinander angeordneten und vorliegend parallelen Kanälen 22 umfasst. Hergestellt ist die Katalysatorstruktur aus Cordierit, sie könnte aber auch aus SiF, Aluminiumtitanat, Mullit oder einem Metallgestrick hergestellt sein. Die Kanäle 22 sind durch Wände 24 der Katalysatorstruktur 20 voneinander getrennt (aus Übersichtlichkeitsgründen sind in 2 nicht alle Elemente mit Bezugszeichen versehen). Die Wände 24 sind beidseitig mit einem katalytischen Material 26 beschichtet. Möglich, in der Zeichnung jedoch nicht dargestellt, ist ferner, dass die katalytische Beschichtung auch auf der Begrenzungswand mindestens einiger in den Wänden 24 vorhandener Poren aufgebracht ist. Die katalytische Beschichtung 26 wird entsprechend der spezifischen Anforderungen so gewählt, dass sie beispielsweise CO, HC, NOx und/oder SOx speichert und/oder katalytisch umsetzt.
Die Porosität und Porengeometrie der Wände 24 der Oxidations-Katalysatoreinrichtung 14 ist so gewählt, dass nach dem Aufbringen des katalytischen Materials 26 auf die Wände 24 ein Gasaustausch zwischen parallelen Kanälen 22 stattfinden kann. Dies ist in den 2 und 3 durch Pfeile 28 dargestellt. Hierauf wird weiter unten noch stärker im Detail eingegangen. Die Porosität und Porengeometrie der fertig beschichteten Katalysatorstruktur 20 und damit die Menge der zwischen den Kanälen 22 ausgetauschten Gase ist auf den spezifischen Kolbenmotor 10 und die spezifische Anordnung der Abgasanlage 12 ausgerichtet.
Die Wände 24 der Katalysatorstruktur 20 besitzen nach der Beschichtung mit dem katalytischen Material 26 bei der hier gezeigten wabenförmigen Oxidations-Katalysatoreinrichtung 14 eine Porosität von mehr als 40%. Der mittlere Durchmesser d₅₀ der Poren 30 (vergleiche 3) ist dabei größer als 20 μm. Als Zelldichte ist bei der gezeigten Oxidations-Katalysatoreinrichtung 14 ein Wert von ungefähr 350 cells per square inch gewählt, die Stärke der Wände 24 liegt bei ungefähr 10 bis 11 mil. Die so geschaffene Oxidations-Katalysatoreinrichtung 14 hat eine Filtrationseffizienz in Bezug auf die im Abgasstrom (Pfeile 32 in 2) enthaltenen Rußteilchen von ungefähr 30 Gew.-%. Der Partikelfilter 16 weist dagegen eine Filtrationseffizienz von ungefähr 95 Gew.-% auf.
Im Betrieb des Kolbenmotors 10 strömt das Abgas 32 zunächst durch die Oxidations-Katalysatoreinrichtung 14 und dann durch den Partikelfilter 16 hindurch. In der Oxidations-Katalysatoreinrichtung 14 kommt es in bestimmten Betriebszuständen des Kolbenmotors 10, insbesondere bei geringer Geschwindigkeit des Abgases 32 zu einer Quervermischung des Abgases (Pfeile 28), da in diesen Betriebspunkten des Kolbenmotors 10 Diffusionsprozesse durch die Wände 24 hindurch neben der gerichteten Strömung (Pfeil 34 in 2) dominieren. Bedingt durch diese Querströmung des Abgases scheiden sich vor allem bei geringer Geschwindigkeit des Abgases 32 Partikel aus dem Abgasstrom an den durchströmten porösen Wänden 24 der Oxidations-Katalysatoreinrichtung 14 ab. Diese Partikel sind in den 2 und 3 mit 36 bezeichnet. Die Oxidations-Katalysatoreinrichtung 14 arbeitet also zusätzlich auch als Filtereinrichtung, allerdings mit deutlich geringerer Filtrationseffizienz als der Partikelfilter 16.
Das katalytische Material 26, mit dem die Wände 24 der Katalysatorstruktur 20 beschichtet sind, ist dazu geeignet, Schadgase wie unverbrannten Kraftstoff, seine Zersetzungsprodukte, beispielsweise Ruß, Kohlenmonoxid, kürzere Kohlenwasserstoffe sowie NOx, SOx zu speichern und/oder katalytisch umzusetzen. Es versteht sich, dass Art, Menge und Zusammensetzung des katalytischen Materials 26 auf den spezifischen Kolbenmotor 10 und die vorgesehene Anordnung innerhalb der Abgasanlage 12 abgestimmt sind. Die gezeigte Oxidations-Katalysatoreinrichtung 14 ist geeignet, sehr nahe am Kolbenmotor 10 angeordnet zu werden (close couple position). Sie eignet sich auch als unmittelbar vor dem Partikelfilter 16 positionierter Katalysator zur Erzeugung der für eine Regeneration des Partikelfilters 16 erforderlichen exothermen Reaktion (diesel exothermic catalyst).
Nicht dargestellt, aber grundsätzlich denkbar sind auch Kombinationen von zwei oder mehr hintereinander angeordneten Oxidations-Katalysatoreinrichtungen der in den 1 bis 3 gezeigten Art. Auch Kombinationen mit herkömmlichen Oxidations-Katalysatoreinrichtungen mit Wänden geringer Porosität sind möglich. Die Filterfunktion der Oxidations- Katalysatoreinrichtung 14 ist von anderen Komponenten der Abgasanlage 12 unabhängig, kann aber grundsätzlich auch auf diese appliziert werden.
Zusätzlich kann auch der Partikelfilter 16 eine katalytisch wirkende Beschichtung aufweisen.

Claims

Abgasanlage (12) für einen Kolbenmotor (10), mit einer Oxidations-Katalysatoreinrichtung (14) und einem nachgeschalteten Partikelfilter (16), wobei die Katalysatoreinrichtung (14) eine Katalysatorstruktur (20) mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten und an beiden Enden offenen Kanälen (22) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände (24) zwischen den Kanälen (22) eine Porosität von mindestens 30% aufweisen.
Abgasanlage (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität mindestens 40% beträgt.
Abgasanlage (12) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Porendurchmesser (d₅₀) mindestens 6 μm, vorzugsweise 15 bis 20 μm beträgt.
Abgasanlage (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorstruktur (20) ein Honeycomb-Substrat mit vorzugsweise rechteckiger oder hexagonaler Kanalstruktur umfasst.
Abgasanlage (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelldichte ungefähr 200–1200 cpsi, vorzugsweise 250–600 cpsi, noch stärker bevorzugt 250–450 cpsi beträgt.
Abgasanlage (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke ungefähr 3–20 mil, vorzugsweise 6–15 mil beträgt.
Abgasanlage (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Katalysatorstruktur (20) Cordierit, SiF, Aluminiumtitanat, Mullit oder ein Metallgestrick umfasst.
Abgasanlage (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine katalytische Beschichtung (26) der Katalysatoreinrichtung CO, HC, NOx und/oder SOx speichert und/oder katalytisch umsetzt.
Abgasanlage (12) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Beschichtung (26) auf den zwischen den Kanälen (22) angeordneten Wänden (24) und/oder den Begrenzungswänden mindestens einiger in den Wänden (24) vorhandener Poren (30) vorhanden ist.