DE102013207922B4 - Method for treating an exhaust gas flow with a silver-backed, closely coupled NOx absorber - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Behandlung des Abgasstroms, der aus einem Fahrzeug-Verbrennungsmotor während eines Zeitraums nach dem Kaltstart des Motors strömt, wobei der Abgasstrom ein Gemisch aus Stickstoffmonoxid, Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen, Wasserstoff, Wasser, Kohlendioxid, Sauerstoff und Stickstoff umfasst, wobei das Abgas eine Anfangstemperatur von unter 75 °C hat und sich während eines weiteren Motorbetriebs zunehmend erwärmt, wobei das Verfahren umfasst:kontinuierlich Leiten des Wasserstoff-enthaltenden und Stickstoffmonoxid-enthaltenden Abgasstroms in Kontakt mit einem Silber/ Aluminiumoxid-Material, das Partikel von Silber oder einem Silberoxid, geträgert auf Partikeln aus Aluminiumoxid, umfasst, wobei der Silbergehalt im Gewichtsbereich von 0,5 % bis 10 % des Gesamtgewichts der Partikel von Silber oder Silberoxid und Aluminiumoxid liegt, wobei das Silber/Aluminiumoxid-Material auf einem Substrat abgeschieden ist, das den Strom des Abgasstroms in Kontakt mit dem Silber/Aluminiumoxid-Material aufnimmt, um wenigstens einen Teil des Stickstoffmonoxids zu Stickstoffdioxid zu oxidieren, und zeitweise etwas des Stickstoffoxids und Stickstoffdioxidprodukts an dem Silber/Aluminiumoxid-Material zu absorbieren, wobei der Abgasstrom als nächstes in Kontakt mit einem unterschiedlichen Absorbermaterial fließt, das ausgewählt ist, um als NOx-Absorber während des Zeitraums nach dem Kaltstart des Motors zu dienen, wobei das Silber/Aluminiumoxid-Material so angeordnet ist, dass der Abgasstrom einen Abgaskrümmer des Motors in einen definierten Abgasströmungsweg verlässt und in Kontakt mit dem Silber/Aluminiumoxid-Material strömt, nachdem er über eine Distanz von nicht mehr als 50 Zentimeter entlang des Strömungswegs geströmt ist, nachdem er den Abgaskrümmer verlassen hat; danach kontinuierlich und anschließendLeiten des Abgasstroms durch wenigstens einen stromabwärts gelegenen Reaktor zur weiteren Oxidation oder Reduktion von Bestandteilen des Abgases, wenn die Temperatur des Abgases ansteigt und jeden stromabwärts gelegenen Reaktor auf eine Oxidations- oder Reduktions-Arbeitstemperatur erwärmt, undFortsetzen des Leitens des Abgases in Kontakt mit dem Silber/Aluminiumoxid-Material, dem unterschiedlichen Absorber-Material und durch jeden Reaktor während der Dauer des Motorbetriebs, wobei das Silber/Aluminiumoxid-Material seine absorbierten Stickstoffoxide freisetzt und aufhört, NO in dem Abgasstrom zu oxidieren, wenn er durch den Abgasstrom über seinen Absorptionstemperaturbereich für die Stickstoffoxide erwärmt ist; wobei das Silber/ Aluminiumoxid-Material seine NO-Oxidationsfunktion und seine Stickstoffdioxid-Absorption nach einem Motorabkühlungszeitraum und einem anschließenden Motorkaltstart erneut aufnimmt.A method of treating the exhaust gas stream flowing from a vehicle internal combustion engine during a period of time after the engine has been cold started, the exhaust gas stream comprising a mixture of nitrogen monoxide, carbon monoxide, hydrocarbons, hydrogen, water, carbon dioxide, oxygen and nitrogen, the exhaust gas having an initial temperature of below 75 ° C and heats up progressively during further engine operation, the method comprising: continuously directing the hydrogen-containing and nitrogen monoxide-containing exhaust gas stream into contact with a silver / aluminum oxide material, the particles of silver or a silver oxide, supported on particles of alumina, wherein the silver content is in the weight range of 0.5% to 10% of the total weight of the particles of silver or silver oxide and alumina, the silver / alumina material being deposited on a substrate that carries the flow of the exhaust gas stream in contact with the silver / aluminum oxide Material to oxidize at least a portion of the nitrogen monoxide to nitrogen dioxide, and temporarily absorb some of the nitrogen oxide and nitrogen dioxide product on the silver / alumina material, the exhaust gas stream next flowing in contact with a different absorber material selected to to serve as a NOx absorber during the period after the cold start of the engine, wherein the silver / aluminum oxide material is arranged such that the exhaust gas flow leaves an exhaust manifold of the engine in a defined exhaust gas flow path and flows in contact with the silver / aluminum oxide material, after flowing a distance of no more than 50 centimeters along the flow path after exiting the exhaust manifold; thereafter continuously and thereafter passing the exhaust gas stream through at least one downstream reactor for further oxidation or reduction of constituents of the exhaust gas as the temperature of the exhaust gas increases and each downstream reactor is heated to an oxidation or reduction operating temperature, andcontinuing the passing of the exhaust gas in contact with the silver / alumina material, the different absorber material and through each reactor during the duration of the engine operation, the silver / alumina material releasing its absorbed nitrogen oxides and ceasing to oxidize NO in the exhaust gas stream when it passes through the exhaust gas stream its absorption temperature range for the nitrogen oxides is warmed; wherein the silver / aluminum oxide material resumes its NO oxidation function and its nitrogen dioxide absorption after an engine cool-down period and a subsequent engine cold start.
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Diese Offenbarung betrifft eine Verbesserung bei der zeitweisen Speicherung von Stickstoffoxiden (NOx), die aus dem Abgas eines Dieselmotors während der ersten wenigen Minuten nach einem Kaltstart des Motors absorbiert werden. Diese Offenbarung bezieht sich spezifischer auf die Verwendung von partikulären Silber/Aluminiumoxid-Materialien (Ag- oder Silberoxid-Partikel geträgert an Al2O3-Partikeln), um NOx aus Dieselmotorabgas mit relativ niedriger Temperatur, das auch relativ geringe Mengen an Wasserstoff und unvollständig verbrannten Kohlenwasserstoffen enthält, zu absorbieren. Das Silbermaterial wird im erfindungsgemäßen Verfahren in Kombination mit anderem Material verwendet, das NO oxidiert und/oder NOx absorbiert, speziell wenn der Abgasstrom das Silber/Aluminiumoxid-Material über seine wirksame Betriebstemperatur erwärmt hat.This disclosure relates to an improvement in the temporary storage of nitrogen oxides (NOx) that are absorbed from the exhaust gas of a diesel engine during the first few minutes after a cold start of the engine. This disclosure relates more specifically to the use of particulate silver / aluminum oxide materials (Ag or silver oxide particles supported on Al 2 O 3 particles) to remove NOx from diesel engine exhaust at a relatively low temperature, which also contains relatively small amounts of hydrogen and incomplete contains burnt hydrocarbons. The silver material is used in the method according to the invention in combination with other material that oxidizes NO and / or absorbs NOx, especially when the exhaust gas flow has heated the silver / aluminum oxide material above its effective operating temperature.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
In den letzten mehreren Dekaden haben Automobilhersteller kontinuierlich sinkende Grenzwerte für die Mengen an Kohlenmonoxid, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Stickstoffoxiden (zusammen NOx), die im Abgas aus Fahrzeugmotoren in die Atmosphäre ausgetragen werden, erfüllt. Diese Anforderungen bezüglich verringerter Abgasemissionen sind mit den Forderungen nach verstärkter Kraftstoffeinsparung kombiniert. Diese kombinierten Anforderungen haben immer höher entwickeltere Motoren, Computersteuerung von Motoren und Abgasbehandlungssysteme, einschließlich katalytischer Reaktoren, im Abgasstrom erforderlich gemacht.Over the past several decades, automobile manufacturers have met continuously decreasing limits for the amounts of carbon monoxide, unburned hydrocarbons and nitrogen oxides (collectively NOx) that are released into the atmosphere in exhaust gas from vehicle engines. These requirements with regard to reduced exhaust gas emissions are combined with the requirements for greater fuel economy. These combined requirements have required increasingly sophisticated engines, computer control of engines, and exhaust treatment systems, including catalytic reactors, in the exhaust stream.
Derzeitige Abgasbehandlungssysteme sind bei der Behandlung des Abgases aus einem aufgewärmten Motor ziemlich wirksam, da die Katalysatormaterialien auf Temperaturen (z. B. 250 °C und darüber) erwärmt wurden, bei denen sie dazu dienen, Kohlenmonoxid und unvollständig verbrannte Kraftstoffbestandteile wirksam zu oxidieren und Stickstoffoxide zu reduzieren. Diese Behandlungssysteme sind sowohl für benzinbetriebene Motoren, die bei einem stöchiometrischen Luft-zu-KraftstoffVerhältnis arbeiten, als auch für Dieselmotoren (und andere Magerverbrennungsmotoren die mit einem beträchtlichen Luftüberschuss arbeiten (manchmal als „mager verbrennend“ bezeichnet), ziemlich effektiv. Es war schwierig, Abgasemissionen unmittelbar nach einem Motorkaltstart zu behandeln, bevor das Abgas den katalytischen Reaktor oder andere Bearbeitungsbehälter auf die wirksamen Temperaturen der Katalysatormaterialien erwärmt hat. Es wird realisiert, dass solche unbehandelten Emissionen einen signifikanten Teil der Gesamtemissionen bei der Auftragsuntersuchung von Motorabgassystemen ausmachen. Das Problem ist bei der Behandlung von gemischten Stickstoffoxiden im Abgas von Dieselmotoren besonders schwierig. Diese Stickstoffoxide umfassen Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) und im Allgemeinen geringere Mengen anderer Stickstoffoxide, wobei das Gemisch typischerweise als NOx bezeichnet wird. Es gibt daher einen Bedarf für bessere Systeme zur Behandlung des Abgases aus einem Motor nach einem Kaltstart. Der Bedarf ist bei Magerverbrennungsmotoren bzw. mager verbrennenden Motoren, zum Beispiel Dieselmotoren, besonders akut, wobei diese die Tendenz zeigen, kühlere Abgasströme zu produzieren, und zwar aufgrund des Überschusses an Luft, der in den Verbrennungsgemischen verwendet wird, mit denen seine Zylinder beschickt werden.Current exhaust treatment systems are quite effective in treating the exhaust gas from a warmed-up engine because the catalyst materials have been heated to temperatures (e.g. 250 ° C and above) at which they serve to effectively oxidize carbon monoxide and incompletely burned fuel components and nitrogen oxides to reduce. These treatment systems are quite effective for both gasoline-powered engines operating at a stoichiometric air-to-fuel ratio and diesel engines (and other lean-burn engines that operate with a significant excess of air (sometimes referred to as "lean burn"). It has been difficult to Treat exhaust emissions immediately after an engine cold start, before the exhaust has heated the catalytic reactor or other processing vessel to the effective temperatures of the catalyst materials. It is realized that such untreated emissions make up a significant portion of the total emissions in contract engine exhaust systems. The problem is with the treatment especially difficult of mixed nitrogen oxides in the exhaust gas of diesel engines. These nitrogen oxides include nitric oxide (NO) and nitrogen dioxide (NO 2) and generally lower amounts of other nitrogen oxides, said mixture typi is often referred to as NOx. There is therefore a need for better systems for treating the exhaust gas from an engine after a cold start. The need is particularly acute in lean burn engines such as diesel engines, which tend to produce cooler exhaust gas streams due to the excess of air used in the combustion mixtures that are fed to its cylinders .
Aus der
In der
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Diese Offenbarung stellt Techniken für die Absorption von NOx aus dem Abgas, das aus dem Abgaskrümmer eines Dieselmotors in dem kurzen Zeitraum nach einem Kaltstart des Motors gepumpt wird, bereit und veranschaulicht sie. Die Techniken der Erfindung sind aber auch im Kaltstartzeitraum von mager verbrennenden Benzinmotoren und anderen Kohlenwasserstoffkraftstoff verbrennenden Verbrennungsmotoren (ob sie kompressionsgezündet oder funkengezündet sind) anwendbar, welche so betrieben werden, dass sie eine Kombination aus Stickstoffmonoxid und Wasserstoff als Teil ihres Abgasstroms produzieren, insbesondere nach einem Starten des Motors, wenn er bei Umgebungstemperatur (manchmal als Kaltstart bezeichnet) oder bei einer Temperatur unter seiner aufgewärmten Betriebstemperatur ist und sein Abgas die Abgasbehandlungssysteme des Fahrzeugs noch nicht auf ihre Betriebstemperaturen erwärmt hat.This disclosure provides and illustrates techniques for absorbing NOx from exhaust gas pumped from the exhaust manifold of a diesel engine in the short period of time after a cold engine start. The techniques of the invention are also applicable in the cold start period of lean burn gasoline engines and other hydrocarbon fuel burning internal combustion engines (whether they are compression ignited or spark ignited) which are operated to produce a combination of nitric oxide and hydrogen as part of their exhaust gas stream, especially after a Starting the engine when it is at ambient temperature (sometimes called a cold start) or below its warmed-up operating temperature and its exhaust gas has not yet warmed the vehicle's exhaust treatment systems to their operating temperatures.
Es wurde gefunden, dass Silber-basierte Materialien, die Partikel von Silber (oder einem Silberoxid, zum Beispiel Ag2O) in Nanometergröße abgeschieden an Aluminiumoxid-Partikeln mit hoher spezifischer Oberfläche (Ag/Al2O3) umfassen, Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid oxidieren und Stickstoffdioxid aus einem fließenden Strom von Dieselabgas mit relativ niedrigen Temperaturen, zum Beispiel von etwa 75 °C bis etwa 250 °C, absorbiere Im erfindungsgemäßen Verfahren enthält das Silber/Aluminiumoxid-Material ein halbes Gewichtsprozent bis zehn Gewichtsprozent bezogen auf das Gesamtgewicht des Silber/Aluminiumoxid-Materials. Dieses Silber-basierte Absorbens-Material oxidiert demnach NO und absorbiert NOx aus Abgas, das wenige Hundert Parts per Million Wasserstoff zusätzlich zu anderen Stickstoffoxiden, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Sauerstoff, Wasser und Stickstoff enthält. Bei solch relativ niedrigen Abgastemperaturen und bei Vorliegen von etwa 100 ppm bis etwa 1 000 ppm oder mehr Wasserstoff dient das Silber/Aluminiumoxid-Material dazu, NO zu oxidieren und NO2 zu absorbieren, und zwar selbst in der Gegenwart einiger Kohlenwasserstoffe mit niedrigerem Molekulargewicht. Tatsächlich leistet das Silber/Aluminiumoxid-Material für diesen Zweck und unter diesen Kaltstartbedingungen bessere Dienste als Platingruppenmetalle.It has been found that silver-based materials, which comprise particles of silver (or a silver oxide, for example Ag 2 O) in nanometer size deposited on aluminum oxide particles with a high specific surface area (Ag / Al 2 O 3 ), oxidize nitrogen monoxide to nitrogen dioxide and nitrogen dioxide from a flowing stream of diesel exhaust at relatively low temperatures, for example from about 75 ° C to about 250 ° C. In the process of the invention, the silver / aluminum oxide material contains one-half percent by weight to ten percent by weight based on the total weight of the silver / Alumina material. This silver-based absorbent material oxidizes NO and absorbs NOx from exhaust gas, which contains a few hundred parts per million of hydrogen in addition to other nitrogen oxides, carbon monoxide, carbon dioxide, unburned hydrocarbons, oxygen, water and nitrogen. At such relatively low exhaust gas temperatures and in the presence of about 100 ppm to about 1,000 ppm or more hydrogen, the silver / alumina material serves to oxidize NO and absorb NO 2 , even in the presence of some lower molecular weight hydrocarbons. In fact, the silver / alumina material performs better than platinum group metals for this purpose and under these cold start conditions.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird das partikuläre Silber/Aluminiumoxid-Material in Kombination mit NOx-Adsorbern verwendet, die eng an den Abgaskrümmer des Motors gekoppelt sind, einschließlich solcher, die derzeit zur Verwendung in Systemen zum Abfangen und Reduzieren von Stickstoffoxiden, die während eines typischen Magerdieselmotorbetriebs produziert werden, in Betracht gezogen werden. Es ist bevorzugt, dass sich das Silber/Aluminiumoxid-Material innerhalb von etwa fünf bis etwa fünfzig Zentimeter ab dem Abgaskrümmer des Motors oder ab einem Turbolader, der an dem Abgaskrümmer angeordnet ist, um einen Teil des Abgasstroms zum Motor zurückzuführen, befindet. Das Silber/Aluminiumoxid-Material unterstützt und komplementiert das Speichervermögen derartiger eng gekoppelter NOx-Adsorber, indem es sie mit NO2 zur Speicherung (statt mit NO) versorgt, da die NOx-Adsorber NO2 bei niedrigen Temperaturen speichern können, allerdings können sie es nicht aus NO in Kohlenwasserstoff enthaltenden Abgasströmen bei Temperaturen von unter etwa 200 °C produzieren.In preferred embodiments of the invention, the particulate silver / alumina material is used in combination with NOx adsorbers that are closely coupled to the exhaust manifold of the engine, including those currently for use in systems for trapping and reducing nitrogen oxides produced during a typical lean-burn diesel engine operation. It is preferred that the silver / alumina material be within about five to about fifty centimeters of the engine's exhaust manifold or of a turbocharger positioned on the exhaust manifold to return some of the exhaust flow to the engine. The silver / aluminum oxide material supports and complements the storage capacity of such closely coupled NOx adsorbers by supplying them with NO 2 for storage (instead of NO), since the NOx adsorbers can store NO 2 at low temperatures, but they can do not produce from NO in hydrocarbon-containing exhaust gas streams at temperatures below about 200 ° C.
In einem System wird das Silber/Aluminiumoxid-Material in Kombination mit einem enggekoppelten passiven NOx-Adsorber-Material verwendet, das so zusammengesetzt ist, dass es NOx bei relativ niedrigen Temperaturen adsorbiert und freisetzt. Ein Beispiel der Zusammensetzung eines solchen passiven NOx-Adsorber-Materials (PNA) ist ein Platingruppenmetall oder ein Gemisch dieser (PGM). Es können zum Beispiel Gemische aus Platin- und Palladiumpartikeln, geträgert an Cerdioxid oder Cerdioxid/ Aluminiumoxid-Gemischen, verwendet werden. Es können auch Oxide anderer Metalle als Nicht-PGM-PNA-Materialien verwendet; zum Beispiel Cerdioxid-basierte Oxide, zum Beispiel Magnesium-Cerdioxid-Mischoxide und dergleichen. Ein derartiges Material wird als ein „passiver“ Adsorber angesehen, da es keine aktive Regenerationsaktivität erfordert, zum Beispiel die Produktion eines vorübergehend „reichen“ Abgasstroms. In diesem System unterstützt und komplementiert das Silber/Aluminiumoxid-Material das passive Adsorber-Material durch Oxidieren von NO und Speichern von NO2 in dem Wasserstoff enthaltenden Abgas mit relativ niedriger Temperatur. Das durch das Silber/Aluminiumoxid produzierte NO2 wird auch durch das PNA gespeichert, bis der Abgasstrom heiß genug ist, um gespeichertes NO2 zu entfernen. Nachdem der Abgasstrom durch das Silber/Aluminiumoxid-Material und den passiven NOx-Adsorber geströmt ist, wird es typischerweise einem Reduktionsprozess zum Reduzieren des NOx zu Stickstoff unterworfen. Ein umfangreich eingesetztes NOx-Reduktionsverfahren involviert die Injektion einer wässrigen Harnstofflösung in den Abgasstrom (unter Bildung von Ammoniak als Reduktionsmittel) an einer Unterbodenstelle im Abgasströmungsweg und danach Leiten des Ammoniak enthaltenden Abgasstroms über ein Katalysatormaterial, das ausgewählt ist, um das Ammoniak-NOx-Reduktionssystem zu unterstützen bzw. zu begünstigen. Diese Technik ist als Ammoniak-selektive katalytische Reduktion (NH3-SCR) bekannt. Demnach ist eine Technik für die Verwendung des betreffenden Silber/Aluminiumoxid-Materials die in Kombination mit einem PNA-Material, gefolgt von einem geeigneten SCR-Verfahren. In diesem System dient das Silber/Aluminiumoxid-Material während der ersten wenigen Minuten nach einem Motorkaltstart Oxidations- und Speicherfunktionen. Danach geht aufgewärmtes Abgas durch das Material, das für den nächsten Motorkaltstart verfügbar bleibt. Bei jedem Kaltstartzyklus resultiert der kombinierte Effekt des Silber/Aluminiumoxid-Materials und des PNA in einer größeren NO2-Speicherung als jedes allein wirkende Material hat.In one system, the silver / alumina material is used in combination with a tightly coupled passive NOx adsorber material that is composed to adsorb and release NOx at relatively low temperatures. An example of the composition of such a passive NOx adsorber material (PNA) is a platinum group metal or a mixture of these (PGM). For example, mixtures of platinum and palladium particles supported on ceria or ceria / alumina mixtures can be used. Oxides of metals other than non-PGM-PNA materials can also be used; for example ceria-based oxides, for example magnesium-ceria mixed oxides and the like. Such a material is considered a “passive” adsorber as it does not require any active regeneration activity, for example the production of a temporarily “rich” exhaust gas stream. In this system, the silver / alumina material supports and complements the passive adsorbent material by oxidizing NO and storing NO 2 in the hydrogen-containing exhaust gas at a relatively low temperature. The NO 2 produced by the silver / alumina is also stored by the PNA until the exhaust stream is hot enough to remove stored NO 2. After the exhaust gas stream has passed through the silver / alumina material and the passive NOx adsorber, it is typically subjected to a reduction process to reduce the NOx to nitrogen. One widely used NOx reduction process involves injecting an aqueous urea solution into the exhaust gas stream (forming ammonia as a reducing agent) at an underfloor location in the exhaust gas flow path and then passing the ammonia-containing exhaust gas stream over a catalyst material selected to the ammonia-NOx reduction system to support or favor. This technique is known as ammonia selective catalytic reduction (NH 3 -SCR). Accordingly, one technique for using the silver / alumina material in question is in combination with a PNA material followed by an appropriate SCR process. In this system, the silver / aluminum oxide material serves oxidation and storage functions during the first few minutes after a cold engine start. After that, warmed up exhaust gas goes through the material, which remains available for the next cold start of the engine. With each cold start cycle, the combined effect of the silver / alumina material and the PNA results in greater NO 2 storage than any material acting alone.
In einer anderen Abgasbehandlungstechnik wird das Silber/Aluminiumoxid-Material in Kombination mit einem zweiten Typ an NOx-Behandlungssystem, bekannt als Fangsystem bzw. Trapping-System, verwendet. Diese NOx-Fangsysteme werden oft als Lean-NOx-Traps oder LNT bezeichnet. LNT-Systeme umfassen typischerweise drei Komponentenmaterialien; einen Oxidationskatalysator zur Oxidation von NO zu NO2, ein Adsorbens-Material zum Adsorbieren von NOx und einen Reduktionskatalysator zur Reduktion von NO und NO2 zu Stickstoff. Platingruppenelement-Materialien (PGM), die an Partikeln von Aluminiumoxid geträgert sind, werden oft als der Oxidationskatalysatorteil eines LNT-Systems verwendet, um NO zu NO2 zu oxidieren; allerdings ist die Umwandlung gering, bis die Katalysatortemperatur über 200 °C ist. Das Adsorbens-Material eines LNT-Systems ist typischerweise ein Oxid eines Metalls oder mehrerer Metalle, zum Beispiel Barium, Calcium, Strontium, Mangan, Cer, Magnesium, Kalium, Natrium, Lithium, Cäsium, Lanthan oder Yttrium. Palladium oder Rhodium wird oft als der Reduktionskatalysator verwendet. Typischerweise erfordert der Betrieb des LNT-Systems periodische kurze Zeiträume eines kraftstoffreichen Motorbetriebs, während dem gespeichertes NO2 (oder NOx) aus seiner zeitweisen Speicherung freigesetzt und zu Stickstoff reduziert wird. Gemäß den Techniken dieser Erfindung wird jedoch eine geeignete Menge eines Silber/Aluminiumoxid-Materials verwendet, um die Funktion der LNT-Materialien zu unterstützen und zu komplementieren, speziell während Zeiträumen von wenigen Minuten nach einem Kaltstart eines Dieselmotors. Die Siber/Aluminiumoxid-Partikel dienen dazu, NO zu NO2 bei Abgastemperaturen bis zu etwa 200 ℃ zu oxidieren und das NO2, möglicherweise als Silbernitrat- oder Aluminiumnitrat-Verbindungen, zu absorbieren. Das LNT-Material speichert auch NO2, das an dem Silber/Aluminiumoxid-Material produziert wurde, unter Erhöhung der gesamten NO2-Speicherung der Kombination aus Silber/Aluminiumoxid und LNT. Das Silber/Aluminiumoxid-Material setzt dann die NOx-Materialien frei, wenn das sich erwärmende Motorabgas weiter das Material über seinen oxidierenden und absorbierenden Temperaturbereich hinaus erwärmt. So besteht ein Vorteil der Kombination aus Silber/Aluminiumoxid- und LNT-Katalysatoren darin, ein breiteres Temperaturfenster bereitzustellen, um NOx während des typischen LNT-Betriebs wirksam zu speichern und freizusetzen.In another exhaust gas treatment technique, the silver / alumina material is used in combination with a second type of NOx treatment system known as a trapping system. These NOx trap systems are often referred to as Lean NOx Traps or LNT. LNT systems typically include three component materials; an oxidation catalyst for oxidizing NO to NO 2 , an adsorbent material for adsorbing NOx, and a reduction catalyst for reducing NO and NO 2 to nitrogen. Platinum group element materials (PGM) supported on particles of alumina are often called uses the oxidation catalyst portion of an LNT system to oxidize NO to NO 2; however, the conversion is low until the catalyst temperature is above 200 ° C. The adsorbent material of an LNT system is typically an oxide of one or more metals, for example barium, calcium, strontium, manganese, cerium, magnesium, potassium, sodium, lithium, cesium, lanthanum or yttrium. Palladium or rhodium is often used as the reduction catalyst. Typically, the operation of the LNT system requires periodic short periods of fuel-rich engine operation during which stored NO 2 (or NOx) is released from its temporary storage and reduced to nitrogen. In accordance with the techniques of this invention, however, an appropriate amount of a silver / alumina material is used to aid and complement the function of the LNT materials, especially during periods of a few minutes after a cold start of a diesel engine. The silver / aluminum oxide particles are used to oxidize NO to NO 2 at exhaust gas temperatures of up to about 200 ℃ and to absorb the NO 2 , possibly as silver nitrate or aluminum nitrate compounds. The LNT material also stores NO 2 produced on the silver / alumina material, increasing the total NO 2 storage of the combination of silver / alumina and LNT. The silver / alumina material then releases the NOx materials as the warming engine exhaust continues to heat the material beyond its oxidizing and absorbing temperature range. Thus, one advantage of the combination of silver / alumina and LNT catalysts is to provide a wider temperature window to effectively store and release NOx during typical LNT operation.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist Silber/Aluminiumoxid/Ab sorbens als ein Washcoat an den Wänden eines extrudierten Cordierit-Monolith-Körpers, der viele parallele Durchflusskanäle hat, die sich von einer Einlassseite zu einer Auslassseite erstrecken, abgeschieden. Der monolithische Körper ist typischerweise im Querschnitt rund oder elliptisch und hat zum Beispiel 400 Kanäle pro Quadrat-Inch Einlassseiten-Oberfläche, jeweils mit einem quadratischen oder hexagonalen Querschnitt und entsprechenden Wänden, die sich über die Länge des Körpers erstrecken. Der monolithische Körper kann in einem geeigneten hochtemperatur- und oxidationsbeständigen Behälter mit einem Abgasstromeinlass und einem stromabwärts gelegenen Auslass, enthalten sein und eng mit dem Abgaskrümmer des Motors gekoppelt sein. Die Menge an solchem Silber enthaltendem Material wird zur Bereitstellung der Oxidation von NO und der zeitweisen Speicherung von NO2 (NOx) auf der Basis des Abgasstroms und der Aufwärmzeit für die Kolbenschlagverdrängung des Dieselmotors, aus dem das Abgas strömt, bestimmt. Eine repräsentative Raumgeschwindigkeit für den Strom durch mit Washcoat-Schichten versehenen Kanäle des Monolithen kann etwa 50 000 h-1 sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Silber/Aluminiumoxid-Partikel an geeigneten metallischen Substraten und anderen Wandstromsubstraten geträgert sein.In one embodiment of the invention, silver / alumina / absorbent is deposited as a washcoat on the walls of an extruded cordierite monolith body that has many parallel flow channels extending from an inlet side to an outlet side. The monolithic body is typically round or elliptical in cross section and has, for example, 400 channels per square inch of inlet side surface, each with a square or hexagonal cross section and corresponding walls extending the length of the body. The monolithic body can be contained in a suitable high temperature and oxidation resistant container having an exhaust gas flow inlet and a downstream outlet and can be closely coupled to the exhaust manifold of the engine. The amount of such silver-containing material is determined to provide the oxidation of NO and the temporary storage of NO 2 (NOx) based on the exhaust gas flow and the warm-up time for the piston impact displacement of the diesel engine from which the exhaust gas is flowing. A representative space velocity for flow through washcoated channels of the monolith may be about 50,000 h -1 . In other embodiments of the invention, the silver / aluminum oxide particles can be supported on suitable metallic substrates and other wall-flow substrates.
Die Silber/Aluminiumoxid-Partikel können in einem Durchfluss-Monolith oder einer anderen Struktur auf unterschiedliche Weise angeordnet sein, um anderes Adsorbens-Material, ganz gleich ob PNA-Material oder LNT-Material, zu komplementieren. Die Silber/Aluminiumoxid-Partikel können bezüglich des anderen Adsorbens-Materials stromaufwärts im Abgasstrom angeordnet werden oder die Silber/Aluminiumoxid-Partikel können in Kombination mit PNA- oder LNT-Material aufgetragen werden. Im Allgemeinen ist allerdings das Silbermaterial so anzuordnen, dass der Abgasstrom mit seinem Wasserstoffgehalt auf das Silbermaterial trifft, bevor er auf das PGM-Material trifft. Beispielsweise kann anderes PNA-Material (das Platingruppenmaterial einschließen oder ausschließen kann) als eine erste Washcoat-Schicht an Kanalwänden einer Cordierit-Extrusion aufgetragen werden, und der Silber/Aluminiumoxid-Washcoat als eine zweite Schicht aufgetragen werden, die mit der herkömmlichen PNA-Schicht flächengleich vorliegt und diese bedeckt. Demnach kann das Silber/Aluminiumoxid-Absorbens-Material an verschiedenen Stellen und in verschiedenen Anordnungen verwendet werden, um anderes PNA-Material oder LNT-Material bei der zeitweisen Speicherung von NOx für eine anschließende weitere Oxidation von NO und/oder eine anschließende Reduktion des NOx, wenn stromabwärts gelegene Abgasbehandlungsreaktoren auf ihre zweckmäßigen Betriebstemperaturen erwärmt sind, zu komplementieren.The silver / aluminum oxide particles can be arranged in different ways in a flow-through monolith or other structure in order to complement other adsorbent material, whether PNA material or LNT material. The silver / aluminum oxide particles can be arranged upstream of the other adsorbent material in the exhaust gas flow, or the silver / aluminum oxide particles can be applied in combination with PNA or LNT material. In general, however, the silver material should be arranged in such a way that the exhaust gas flow with its hydrogen content hits the silver material before it hits the PGM material. For example, other PNA material (which may include or exclude platinum group material) can be applied as a first washcoat to duct walls of a cordierite extrusion, and the silver / alumina washcoat can be applied as a second layer that coincides with the conventional PNA layer is present in the same area and covers it. Accordingly, the silver / alumina absorbent material can be used in different places and in different arrangements to other PNA material or LNT material in the temporary storage of NOx for a subsequent further oxidation of NO and / or a subsequent reduction of the NOx when downstream exhaust gas treatment reactors are heated to their appropriate operating temperatures.
Weitere Aufgaben und Vorzüge der Erfindung werden aus Beschreibungen veranschaulichender Ausführungsformen, die in dieser Beschreibung folgen, klar werden.Other objects and advantages of the invention will become apparent from descriptions of illustrative embodiments that follow this specification.
FigurenlisteFigure list
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1 ist ein erstes schematisches Fließdiagramm, das nummerierte Blöcke verwendet, die eine Anordnung von Dieselabgas-Behandlungselementen darstellen. Abgas, das aus dem Abgaskrümmer des Motors strömt (Block10 ), tritt zuerst in einen extrudierten Durchfluss-Cordierit-Körper ein (Block12 ), der eng mit dem Abgaskrümmer gekoppelt ist und mit getrennten Washcoats von Ag/Al2O3 + passivem NOx-Adsorber + einem Dieseloxidationskatalysator (DOC) beschichtet ist. Dem Abgas kann ein Reduktionsmittelmaterial zugesetzt werden (Block14 ), und das Abgas strömt dann durch einen SCR-Reaktor (Block16 ), der sich stromabwärts im Abgasstrom befindet und unter der Fahrzeugkarosserie angeordnet ist. Der Abgasstrom fließt dann durch eine Unterboden-Dieselpartikelfalle (Block18 ), bevor er aus dem Auspuffendrohr des Fahrzeugs austritt.1 Figure 3 is a first schematic flow diagram using numbered blocks representing an arrangement of diesel exhaust treatment elements. Exhaust gas flowing out of the engine's exhaust manifold (block10 ), first enters an extruded flow-through cordierite body (block12th ), which is closely coupled to the exhaust manifold and coated with separate washcoats of Ag / Al 2 O 3 + passive NOx adsorber + a diesel oxidation catalyst (DOC). A reducing agent material can be added to the exhaust gas (block14th ), and the exhaust gas then flows through an SCR Reactor (block16 ), which is located downstream in the exhaust gas flow and is arranged under the vehicle body. The exhaust gas flow then flows through an underbody diesel particulate trap (block18th ) before exiting the vehicle's tailpipe. -
2 ist eine schräge Seitenansicht eines zylindrischen Edelstahl-Durchflussbehälters, der einen extrudierten zylindrischen Cordierit-Körper mit vielen parallelen Kanälen einschließt, von denen jeder Kanal einen quadratischen Querschnitt hat und sich von einer flachen Abgasstromeinlassseite des Körpers zu einer flachen Abgasstromauslassseite des Körpers erstreckt. Die vier Wände jedes Kanals sind mit einer dünnen Washcoat-Schicht aus Silber/Aluminiumoxid-Katalysator und anderen Materialien zur Verwendung gemäß dieser Offenbarung beschichtet. In dieser Darstellung sind der Behälter und der Cordierit-Körper jeweils als runde Zylinder geformt, und ein Teil der runden Behälterwand ist weggebrochen, um den Cordierit-Körper zu zeigen. Und die Außenwand des Cordierit-Körpers ist weggebrochen und die durchgezogenen Linien stellen die äußeren Kanäle dar.2 Figure 13 is an oblique side view of a cylindrical stainless steel flow-through container including an extruded cylindrical cordierite body having many parallel channels, each channel having a square cross-section and extending from a flat exhaust gas flow inlet side of the body to a flat exhaust gas flow outlet side of the body. The four walls of each channel are coated with a thin washcoat of silver / alumina catalyst and other materials for use in accordance with this disclosure. In this illustration, the container and the cordierite body are each shaped as a round cylinder, and a portion of the circular container wall is broken away to show the cordierite body. And the outer wall of the cordierite body has broken away and the solid lines represent the outer channels. -
3 ist eine Teilseitenansicht der oberen und Bodenwände eines einzelnen Kanals des Cordierit-Körpers, der in2 dargestellt ist. Die oberen und Bodenwandfragmente wurden mit einer einzelnen Washcoat-Schicht eines funktionellen Abgasbehandlungsmaterials, das entsprechend dieser Beschreibung verändert werden kann, beschichtet.3 FIG. 13 is a partial side elevational view of the top and bottom walls of a single channel of the cordierite body shown in FIG2 is shown. The top and bottom wall fragments have been coated with a single washcoat of a functional exhaust treatment material that can be modified as described in this specification. -
4 ist eine Teilseitenansicht der oberen und Bodenwände eines einzelnen Kanals des in2 dargestellten Cordierit-Körpers. Die oberen und Bodenwandfragmente wurden mit zwei übereinanderliegenden und flächengleichen Washcoat-Schichten aus funktionellen Abgasbehandlungsmaterialien beschichtet, die gemäß dieser Beschreibung verändert werden können.4th FIG. 14 is a partial side view of the top and bottom walls of a single channel of the FIG2 shown cordierite body. The top and bottom wall fragments were coated with two superimposed and identical washcoat layers made of functional exhaust gas treatment materials, which can be modified according to this description. -
5 ist ein zweites schematisches Fließdiagramm, das nummerierte Blöcke verwendet, um eine zweite Anordnung von Dieselabgasbehandlungselementen darzustellen. Abgas, das aus dem Abgaskrümmer des Motors strömt (Block10 ), tritt zuerst in einen enggekoppelten, extrudierten Durchfluss-Cordierit-Körper ein, der mit Ag/Al2O3 plus den Komponentenmaterialien eines LNT beschichtet ist (Block20 ). Das behandelte Abgas fließt dann gegebenenfalls durch einen DOC-Reaktor (Block22 ) und eine Dieselpartikelfalle (Block24 ), bevor es aus dem Auspuffendrohr austritt.5 Figure 13 is a second schematic flow diagram using numbered blocks to illustrate a second arrangement of diesel exhaust treatment elements. Exhaust gas flowing out of the engine's exhaust manifold (block10 ), first enters a tightly coupled, extruded flow-through cordierite body coated with Ag / Al 2 O 3 plus the component materials of an LNT (block20th ). The treated exhaust gas then flows through a DOC reactor (block22nd ) and a diesel particulate trap (block24 ) before it emerges from the tailpipe. -
6 ist ein Balkendiagramm, das die kumulativen Mengen an NO in Milligramm (vertikale Achse30 ), die aus einem synthetischen Dieselabgasstrom, jeweils bei 150 °C, von (von links nach rechts auf der horizontalen Achse,32 ) einem kommerziellen PGM-basierten LNT-Material (Datenbalken34 ), einer Kombination aus Ag/Al2O3 und LNT-Material (Datenbalken36 ) und einer Kombination aus Ag/Al2O3 und MnCeOx (Datenbalken38 ) gespeichert wurden. Die folgenden drei Balkendaten zeigen die kumulativen Mengen an NO in Milligramm, die jeweils durch dieselben drei Materialien bei 200 °C gespeichert wurden (Datenbalken40 ,42 bzw.44 ). Der synthetische Dieselabgasstrom bestand aus 500 ppm H2, 150 ppm NO, 1 000 ppm C1-Kohlenwasserstoffen, 10 % CO2, 8 % O2, 8 % H2O und Stickstoff und erfasst die Speichermaterialien bei einer Raumgeschwindigkeit von 50 000 H-1.6th is a bar graph showing the cumulative amounts of NO in milligrams (vertical axis30th ) from a synthetic diesel exhaust stream, each at 150 ° C, from (from left to right on the horizontal axis,32 ) a commercial PGM-based LNT material (data bar34 ), a combination of Ag / Al 2 O 3 and LNT material (data bar36 ) and a combination of Ag / Al 2 O 3 and MnCeOx (data bar38 ) were saved. The following three bar data show the cumulative amounts of NO in milligrams that were each stored by the same three materials at 200 ° C (data bar 40 ,42 or.44 ). The synthetic diesel exhaust stream consisted of 500 ppm H 2 , 150 ppm NO, 1,000 ppm C1 hydrocarbons, 10% CO2, 8% O2, 8% H 2 O and nitrogen and recorded the storage materials at a space velocity of 50,000 H -1 . -
7 ist ein Diagramm NO2 (in ppm) (vertikale Achse,70 ), absorbiert durch ein handelsübliches DOC-Material in einem synthetischen Strom, der auch 1 500 ppm Wasserstoff enthält (Kurve74 ), und absorbiert durch vier Proben von 5 % Ag/Al2O3 mit 1 500 ppm H2 (Kurve76 ), 750 ppm H2 (Kurve78 ), 300 ppm H2 (Kurve80 ) und 0 H2 (Kurve82 ) bei Gasstromeinlasstemperaturen von 100 °C bis 300 °C (horizontale Achse, 72).7th is a diagram of NO 2 (in ppm) (vertical axis,70 ), absorbed by a commercial DOC material in a synthetic stream that also contains 1,500 ppm hydrogen (curve74 ), and absorbed by four samples of 5% Ag / Al 2 O 3 with 1,500 ppm H 2 (curve76 ), 750 ppm H 2 (curve78 ), 300 ppm H 2 (curve80 ) and 0 H 2 (curve82 ) at gas stream inlet temperatures from 100 ° C to 300 ° C (horizontal axis, 72).
BECHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMENDESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
Abgasemissionen aus einem Fahrzeugmotor, der an einem Dynamometer läuft, werden oft evaluiert, indem der Motor nach einem spezifizierten Testverfahren betrieben wird, bei dem der Motor einem Kaltstart unterzogen wird und danach, wie vorgeschrieben, beschleunigt und entschleunigt wird. Ein solches Verfahren ist U.S. Federal Test Procedure
Während eines Aufwärmbetriebes produzieren solche Dieselmotoren typischerweise ein heißes Abgas mit relativ hohen Gehalten an Sauerstoff, Wasser und Stickstoffoxiden (NOx). Im Fall von Dieselmotoren liegt die Temperatur des Abgases typischerweise im Bereich von 50 bis 150 °C aus einem kalten Motor und 200 bis 400 °C aus einem aufgewärmten Motor (abhängig zum Beispiel von der Motorlast) und es hat eine repräsentative Zusammensetzung, nach Volumen, von etwa 10 % Sauerstoff, 6 % Kohlendioxid, 5 % Wasser, 0,1 % Kohlenmonoxid, 180 ppm Kohlenwasserstoffen, 235 ppm NOx (meist NO) und als Rest im Wesentlichen Stickstoff. Das Abgas enthält oft einige sehr kleine kohlenstoffreiche Partikel. Und zu dem Ausmaß, zu dem der Kohlenwasserstoffkraftstoff Schwefel enthält, kann das Abgas aus der Verbrennungsquelle auch Schwefeldioxid enthalten. Es ist erwünscht, solche Abgaszusammensetzungen zu behandeln, um die Austragung jeder anderen Substanz als Stickstoff, Kohlendioxid und Wasser in die Atmosphäre zu minimieren. Ein repräsentativer Wert der Strömungsrate eines solchen Fahrzeugabgasstroms ist im Hinblick auf das effektive Volumen von Abgasbehandlungsvorrichtungen zum Beispiel 50 000 h-1.During a warm-up operation, such diesel engines typically produce hot exhaust gas with relatively high levels of oxygen, water and nitrogen oxides (NOx). In the case of diesel engines, the temperature of the exhaust gas is typically in the range of 50 to 150 ° C from a cold engine and 200 to 400 ° C from a warmed up engine (depending, for example, on the engine load) and it has a representative composition, by volume, of about 10% oxygen, 6% carbon dioxide, 5% water, 0.1% carbon monoxide, 180 ppm hydrocarbons, 235 ppm NOx (mostly NO) and the remainder essentially nitrogen. The Exhaust gas often contains some very small carbon-rich particles. And to the extent that the hydrocarbon fuel contains sulfur, the exhaust from the combustion source may also contain sulfur dioxide. It is desirable to treat such exhaust gas compositions to minimize the discharge of any substance other than nitrogen, carbon dioxide and water to the atmosphere. A representative value of the flow rate of such a vehicle exhaust stream in terms of the effective volume of exhaust treatment devices is, for example, 50,000 h -1 .
Die NOx-Gase, die typischerweise variierende Gemische von Stickstoffoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) umfassen, sind infolge des hohen Sauerstoff (O2)-Gehalts in dem heißen Abgasstrom schwierig zu Stickstoff (N2) zu reduzieren. Es wird festgestellt, dass, wenn ein großer Teil des NO zu NO2 oxidiert wird, es selektive katalytische Reduktionszusammensetzungen und katalytische Durchflussreaktorkonzepte zum Reduzieren eines großen Teils des NO und NO2 im heißen Abgas zu Stickstoff gibt, bevor das Abgas aus dem Fahrzeugauspuffsystem ausgetragen wird. So befindet sich in vielen Abgasbehandlungssystemen für Magerverbrennungsmotoren ein geeigneter Durchfluss-Oxidationskatalysatorkörper geeigneterweise nahe an dem Motorabgaskrümmer, um die wirksame und rechtzeitige Oxidation von NO und CO und HC im Abgas zu begünstigen. Ein zweites Katalysatormaterial befindet sich stromabwärts von dem Oxidationskatalysatorreaktor im strömenden Abgasstrom für die Reduktion eines großen Teils des NO und NO2 zu Stickstoff und Wasser. Manchmal wird dem Abgas ein Reduktionsmaterial zugesetzt, um die selektive Reduktionsreaktion zu ermöglichen, und der Motor kann wiederholt, aber sehr kurz, in einem kraftstoffreichen Modus laufengelassen werden, um geringe Mengen an unverbranntem Kraftstoff als Reduktionsmittel für die Stickstoffoxide zuzuführen.The NOx gases, which typically include varying mixtures of nitrogen oxide (NO) and nitrogen dioxide (NO2), are difficult to reduce to nitrogen (N 2 ) due to the high oxygen (O 2 ) content in the hot exhaust gas stream. It is stated that when a large portion of the NO is oxidized to NO 2 , there are selective catalytic reduction compositions and catalytic flow reactor concepts for reducing a large portion of the NO and NO 2 in the hot exhaust gas to nitrogen before the exhaust gas is discharged from the vehicle exhaust system . Thus, in many exhaust gas treatment systems for lean burn engines, a suitable flow through oxidation catalyst body is suitably located close to the engine exhaust manifold to promote the efficient and timely oxidation of NO and CO and HC in the exhaust gas. A second catalyst material is located downstream of the oxidation catalyst reactor in the flowing exhaust gas stream for the reduction of a large part of the NO and NO 2 to nitrogen and water. Sometimes a reducing material is added to the exhaust gas to allow the selective reduction reaction and the engine can be run repeatedly, but very briefly, in a fuel-rich mode to add small amounts of unburned fuel as a reducing agent for the nitrogen oxides.
Bei anderen Techniken für die Behandlung von Dieselabgas wird ein LNT-System, wie es oben beschrieben ist, verwendet, um NOx während eines kraftstoffarmen Betriebs bzw. Magerbetriebs des Motors zu adsorbieren und NOx während kurzer kraftstoffreicher Perioden des Motorbetriebs freizusetzen und zu reduzieren.Other techniques for treating diesel exhaust use an LNT system, as described above, to adsorb NOx during lean engine operation and to release and reduce NOx during short fuel-rich periods of engine operation.
Bei einem Starten bzw. Anlassen des kalten Motors müssen diese Oxidations- und Reduktionskatalysatormaterialien und LNT-System-Materialien durch den Abgasstrom oft von Umgebungstemperatur auf ihre jeweiligen Arbeitstemperaturen erwärmt werden. Es ist notwendig, während aller Stufen des Motorbetriebs, einschließlich des Zeitraums, in dem das Abgassystem erwärmt wird, das meiste des Kohlenmonoxids und der unverbrannten Kohlenwasserstoffe zu Kohlendioxid und Wasser umzuwandeln und das meiste des NOx zu Stickstoff und Wasser umzuwandeln.When starting or starting the cold engine, these oxidation and reduction catalyst materials and LNT system materials often have to be heated from ambient temperature to their respective working temperatures by the exhaust gas flow. It is necessary to convert most of the carbon monoxide and unburned hydrocarbons to carbon dioxide and water and to convert most of the NOx to nitrogen and water during all stages of engine operation, including the period when the exhaust system is being heated.
Techniken dieser Erfindung nutzen die Entdeckung der Erfinder, dass Wasserstoff in Mengen von etwa 100 ppm bis 1 000 ppm oder mehr im Abgas des Dieselmotors nach einem Motorkaltstart vorliegen kann. Der Motor wird typischerweise unter einem computergesteuerten Motorregulierungssystem zum Management des Zeitpunkts und der Menge der Kraftstoffeinspritzung und des Luftstroms betrieben, und während Zeiträumen nach einem Kaltstart kann bewirkt werden, dass Wasserstoff im Abgas des Dieselmotors während dieser Stufe des Fahrzeugbetriebs vorliegt. Das Silber/Aluminiumoxid-Material, das in den Techniken dieser Erfindung verwendet wird, nutzt das Vorliegen von geeigneten (aber relativ kleinen) Wasserstoffmengen in Kombination mit dem Silber-Katalysator und -Speichermaterial, das sich nahe dem Abgaskrümmer des Motors befindet, um eine gewisse Oxidation von NO zu NO2 bei Abgastemperaturen im Bereich von 75 °C bis etwa 250 °C zu begünstigen und um zeitweise PNA-Material oder LNT-Material bei der Speicherung von etwas des Gemisches von NO und NO2 zu komplementieren, bis das Abgas das Silbermaterial über seine beste Arbeitstemperatur erwärmt und andere stromabwärts gelegene Abgasbehandlungsreaktoren die Abgasbehandlungsfunktionen übernehmen. Das Silber/Aluminiumoxid-Material unterstützt die Umwandlung von NO zu NO2, das an PGM- und Nicht-PGM-NOx-Adsorbern bei Temperaturen unter 200 °C gespeichert werden kann. Ohne Silber/Aluminiumoxid kann ein NOx-Adsorber-Material kein NO speichern (es sei denn, es hat einen sehr hohen PGM-Gehalt), und es wandelt unter 200 °C in einer Kohlenwasserstoff-enthaltenden Beschickung NO nicht effizient zu NO2 um.Techniques of this invention take advantage of the inventors' discovery that hydrogen can be present in amounts of about 100 ppm to 1,000 ppm or more in the exhaust gas of the diesel engine after a cold engine start. The engine is typically operated under a computerized engine governance system to manage the timing and amount of fuel injection and air flow, and during periods after a cold start, hydrogen can be caused to be present in the diesel engine exhaust during this stage of vehicle operation. The silver / alumina material used in the techniques of this invention takes advantage of the presence of appropriate (but relatively small) amounts of hydrogen in combination with the silver catalyst and storage material located near the engine's exhaust manifold To favor oxidation of NO to NO 2 at exhaust temperatures in the range of 75 ° C to about 250 ° C and to temporarily complement PNA material or LNT material in the storage of some of the mixture of NO and NO 2 until the exhaust gas Silver material is heated above its best working temperature and other downstream waste gas treatment reactors take over the waste gas treatment functions. The silver / aluminum oxide material supports the conversion of NO to NO 2 , which can be stored on PGM and non-PGM NOx adsorbers at temperatures below 200 ° C. Without silver / alumina, a NOx adsorbent material cannot store NO (unless it is very high in PGM), and it does not efficiently convert NO to NO 2 below 200 ° C in a hydrocarbon-containing feed.
Im Abgasstrom-Behandlungssystem dieser
In einer in
Eine Darstellung eines geeigneten katalytischen Reaktors
Wie in
In ähnlicher Weise ist das stromabwärts gelegene Ende (Abgasstrom-Pfeil
In einer ersten Ausführungsform können das Ag/Al2O3-Material, ein Nicht-PGM-PNA-Material und ein DOC-Material als getrennte Washcoats in fortschreitender stromabwärtiger Reihenfolge an den Kanalwänden eines einzelnen extrudierten Cordierit-Körpers
Mit anderen Worten, das Silber/Aluminiumoxid-Material ist als schichtartige Schicht
Andere Anordnungen der Materialien, die als Washcoats aufgetragen sind, können verwendet werden, wobei sie als Washcoats an den Kanalwänden eines einzelnen Bausteins oder Cordierit-Körpers verteilt sind. Wenn das PNA-Material keine Platingruppenmaterialien umfasst, können die drei Materialien als zwei Schichten oder als eine einzelne Schicht an den Wänden eines einzelnen Körpers aufgetragen sein.
Allerdings wird in dieser Ausführungsform der Erfindung das Ag/Al2O3-Material in Kombination mit den drei Materialien einer LNT-Vorrichtung - dem DOC-Material, dem NO2-Adsorber-Material und dem NOx-Reduktionsmaterial - verwendet. Das Ag/Al2O3- Material wird verwendet, wenn Wasserstoff im Abgas nach Starten eines kalten Dieselmotors vorhanden ist. Wiederum wird ein Washcoat von Partikeln eines geeigneten Ag/Al2O3-Materials, das etwa 0,5 bis etwa 10 % Silber, bezogen auf das Gesamtgewicht des Silbers und des Aluminiumoxids, enthält, verwendet. Das an dem Silber/Aluminiumoxid produzierte NO2 und NOx, das daran gespeichert wird, werden gegebenenfalls von dem Silber/Aluminiumoxid freigesetzt. Das NOx wird an dem LNT gespeichert und während Motorzyklen mit kraftstoffreichem Impuls in Stickstoff umgewandelt.However, in this embodiment of the invention, the Ag / Al 2 O 3 material is used in combination with the three materials of an LNT device - the DOC material, the NO 2 adsorber material and the NOx reduction material. The Ag / Al 2 O 3 material is used when hydrogen is present in the exhaust gas after starting a cold diesel engine. Again, a washcoat of particles of a suitable Ag / Al 2 O 3 material, about 0.5 to contains about 10% silver, based on the total weight of the silver and the alumina, is used. The NO 2 produced on the silver / alumina and NOx stored thereon are eventually released from the silver / alumina. The NOx is stored on the LNT and converted to nitrogen during fuel-rich pulse engine cycles.
Demnach dient LNT typischerweise als NOx-Adsorber, Umwandler von NOx zu N2 und DOC. Einen Großteil der Zeit während eines Betriebs des aufgewärmten Motors ist das LNT dem heißen mageren Abgas des Motors ausgesetzt und dient seiner Adsorber- und Oxidationsfunktion in Sauerstoff enthaltendem Abgas. Allerdings wird der Motorbetrieb periodisch durch einen Motorregulierungscomputer so eingestellt, dass er kraftstoffreich brennt, um Reduktionsmittel in dem Abgas zu produzieren, sodass das LNT gespeichertes NOx in Stickstoff umwandeln kann. In gewissen Abgassystemen wird etwas NOx in dem Abgas durch LNT in Ammoniak anstatt in N2 umgewandelt. Gegebenenfalls kann ein Unterboden-Harnstoff-SCR-Katalysator stromabwärts des LNT (in
Wenn zwei Cordierit-Bausteine verwendet werden oder wenn ein stromaufwärts gelegener Abschnitt und ein stromabwärts gelegener Abschnitt eines einzelnen Bausteins verwendet wird/werden, wird das Ag/Al2O3-Material stromaufwärts der getrennten LNT-Materialien verwendet. Auf diese Weise wird das Ag/ Al2O3-Material zuerst dem Abgas mit relativ niedriger Temperatur ausgesetzt und dient dazu, NO zu NO2 zu oxidieren und NO2 für eine spätere Freisetzung zu dem LNT und anderen stromabwärts gelegenen Abgasstrom-Behandlungskörpern freizusetzen. Wie jedoch weiter in Bezug auf
Die LNT-Materialien können als eine erste Washcoat-Schicht an den Kanalwänden des Bausteins abgeschieden werden und anschließend kann ein geeignetes Ag/Al2O3-Material als eine zweite Schicht (wie in
Die Nützlichkeit einer Verwendung des Ag/Al2O3-Materials zur Behandlung von NOx in einem relativ kalten Dieselabgasstrom wird in den Daten, die in
Diese Daten stellen dar, dass, wenn ein herkömmliches LNT-Material (Barium-basiert mit 145 g/ft3 PGM) verwendet wird, um in einem synthetischen Abgasstrom mit 150 °C NO zu oxidieren und NOx zu adsorbieren, nur etwa 30 Milligramm NO gespeichert wurden. Wenn Ag/Al2O3-Material mit dem LNT-Material kombiniert wurde, erhöhte sich die Speicherung von NO auf nahezu 500 Milligramm NO. Und wenn das Ag/Al2O3-Material mit einem Nicht-PGM-basierten NO-Adsorber, MnCeOx, kombiniert wird, ist die Kombination nahezu ebenso wirksam wie die Kombination des Ag/Al2O3-Materials mit dem kommerziellen PGM-basierten LNT-Material.This data shows that when a conventional LNT (barium-based at 145 g / ft 3 PGM) material is used to oxidize NO and adsorb NOx in a synthetic exhaust stream at 150 ° C, only about 30 milligrams of NO were saved. When the Ag / Al 2 O 3 material was combined with the LNT material, the storage of NO increased to nearly 500 milligrams of NO. And when the Ag / Al 2 O 3 material is combined with a non-PGM based NO adsorber, MnCeOx, the combination is almost as effective as the combination of the Ag / Al 2 O 3 material with the commercial PGM based LNT material.
Die vierten (
Demnach ist ein Silber/Aluminiumoxid-Katalysator bei der Oxidation von NO zu NO2 und der zeitweisen Speicherung von NOx in Dieselabgasströmen mit niedriger Temperatur, wobei das Abgas relativ geringe Mengen an Wasserstoff enthält, sehr wirksam. Außerdem kann das durch das Silber/ Aluminiumoxid erzeugte NO2 sowohl durch ein PNA-Material als auch ein LNT gespeichert werden. Dies ist von Bedeutung, da weder herkömmliches PNA-Material noch LNT NO unterhalb von etwa 200 °C oxidieren wird, es sei denn, sie enthalten sehr hohe Mengen an Platin, wobei diese Mengen untragbar teuer sind. Der Silbergehalt des Silber/Aluminiumoxid-Katalysators liegt im erfindungsgemäßen Verfahren im Bereich von 0,5 % bis 10 %. Dieser Silber-basierte Katalysator und NOx-Absorber stellt eine sehr wirksame Komplementierung für PNA-Materialien allgemein und die PNA-Zusammensetzungen in LNT-Materialkombinationen bereit. Ein Motorbetrieb kann leicht während derartiger Kaltstartperioden so reguliert werden, dass Wasserstoff aus der Verbrennung von Dieselkraftstoff für derartige zeitweise Oxidations- und Speicherfunktionen des Silberkatalysatormaterials bereitgestellt werden.Accordingly, a silver / alumina catalyst is very effective in oxidizing NO to NO 2 and temporarily storing NOx in low temperature diesel exhaust streams where the exhaust gas contains relatively small amounts of hydrogen. In addition, the NO 2 generated by the silver / aluminum oxide can be stored by both a PNA material and an LNT. This is important because neither conventional PNA material nor LNT will oxidize NO below about 200 ° C unless they contain very high levels of platinum, which levels are prohibitively expensive. The silver content of the silver / aluminum oxide catalyst in the process according to the invention is in the range from 0.5% to 10%. This silver-based catalyst and NOx absorber provides a very effective complement for PNA materials in general and the PNA compositions in LNT material combinations. Engine operation can easily be regulated during such cold start periods so that hydrogen from the combustion of diesel fuel is provided for such temporary oxidation and storage functions of the silver catalyst material.
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