DE102018107778B4 - Verfahren zum Verringern von Emissionen aus einem Abgasstrom eines Dieselmotors - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Verringern von Emissionen aus einem Abgasstrom eines Dieselmotors, umfassend:a. Nachweisen und Überwachen eines Sauerstoffniveaus in dem Abgasstrom eines Dieselmotors stromauf eines Katalysators, der einen Kaltstart-Katalysator umfasst, der einen Molekularsiebkatalysator und einen geträgerten Platingruppenmetallkatalysator umfasst, wobei der Molekularsiebkatalysator ein Edelmetall und ein Molekularsieb umfasst und der geträgerte Platingruppenmetallkatalysator ein oder mehrere Platingruppenmetalle und einen oder mehrere anorganische Oxidträger umfasst;b. Injizieren von Luft stromauf des Katalysators bei festgelegten Abgasbedingungen, um den Katalysator vor sauerstoffverarmten Bedingungen zu schützen; wobei die Luft zur Bereitstellung eines Sauerstoffniveaus oberhalb von etwa 10 Gew.-% Sauerstoff in dem in den Katalysator eintretenden Abgasstrom injiziert wird, und wobei die Luft mittels einer Injektionsleitung, die durch ein Ventil gesteuert ist, in den Abgasstrom injiziert wird.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Das Erfordernis zum Verringern der Emission von schädlichen Nebenprodukten und die ständigen zunehmenden Zwänge zur Steigerung der Kraftstoffökonomie sind fortlaufende Herausforderungen bei Verbrennungsmotoren. Dieselmotoren produzieren eine Abgasemission, die allgemeinen mindestens vier Klassen von Schadstoffen enthält, gegen die auf der ganzen Welt Gesetze durch zwischenstaatliche Organisationen erlassen werden: Kohlenstoffmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HCs), Oxide von Stickstoff (NOx) und teilchenförmiges Material bzw. Feinstaub (PM). Es gibt eine Vielzahl von Emissionssteuerungsvorrichtungen zum Behandeln eines oder mehrerer jeden Schadstofftyps. Diese Emissionssteuerungsvorrichtungen sind häufig als Teil eines Abgassystems kombiniert, um sicherzustellen, dass alle vier Klassen von Schadstoffen behandelt werden, bevor das Abgas in die Umwelt emittiert wird.
  • DE 198 06 033 A1 beschreibt eine Anordnung zur Umsetzung einer Abgaskomponente eines Abgasstromes eines Verbrennungsmotors, wobei die Anordnung eine erste katalytisch wirkende Einrichtung und eine zweite Einrichtung, die der ersten Einrichtung nachgeordnet ist, umfasst. Die zweite Einrichtung umfasst einen Wabenkörper mit einer Beschichtung, die Kohlenwasserstoffe adsorbiert, und zwei elektrisch beheizbare Wabenkörper. JP H05- 26 034 A betrifft eine Selbstdiagnosevorrichtung in einer Sekundärluftzufuhrleitung eines Verbrennungsmotors. US 2015 / 0 158 019 A1 ist auf einen Passiv-NOx-Adsorber gerichtet, der ein Edelmetall und ein kleinporiges Molekularsieb mit einer maximalen Ringgröße von acht tetraedrischen Atomen umfasst. WO 2015/ 085 300 A1 betrifft einen Kaltstart-Katalysator, der einen aus einem Edelmetall und Molekularsieb bestehenden Katalysator und einen geträgerten Platingruppenmetallkatalysator umfasst. EP 3 115 566 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine, wobei die Vorrichtung einen Abgaskanal und, jeweils in bestimmter Anordnung, einen Drei-Wege-Katalysator, eine Einmündung einer Sekundärluftleitung, einen NOx-Speicherkatalysator und ein Partikelfilter umfasst. DE 10 2013 209 374 A1 beschreibt Ausführungsformen zum Steuern von Abgassauerstoffkonzentrationen.
  • Unter bestimmten Bedingungen können Abgasströme niedrige Sauerstoffniveaus umfassen. Jedoch können einige Emissionssteuerungsvorrichtungen Katalysatoren umfassen, die in sauerstoffverarmten Abgasumgebungen beschädigt oder inaktiviert werden können. Dementsprechend besteht ein Bedarf, solche Katalysatoren vor sauerstoffverarmten Bedingungen zu schützen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt gemäß Anspruch 1 ein Verfahren zum Verringern von Emissionen aus einem Abgasstrom eines Dieselmotors bereit.
  • Hierin beschrieben werden Abgasreinigungssysteme für die Verringerung von Emissionen aus einem Abgasstrom. Die Systeme können ein Sauerstoff-Nachweissystem, einen Katalysator und ein zwischen dem Sauerstoff-Nachweissystem und dem Katalysator positioniertes Luftinjektionssystem zum Injizieren von Luft in den Abgasstrom bei festgelegten Abgasbedingungen umfassen, um den Katalysator vor sauerstoffverarmten Bedingungen zu schützen. In einigen Ausführungsformen umfasst das Sauerstoff-Nachweissystem einen Sauerstoffsensor. Das Sauerstoff-Nachweissystem kann Abgas-montiert sein. In einigen Ausführungsformen umfasst das Sauerstoff-Nachweissystem ein Signal, das von einer Motorsteuerungseinheit herrührt. In einigen Ausführungsformen umfasst der Katalysator einen NOx-Speicherkatalysator, wie z.B. einen Kaltstart-Katalysator.
  • In einigen Ausführungsformen umfassen die festgelegten Abgasbedingungen ein Sauerstoffniveau des Abgasstroms unterhalb eines minimalen Sauerstoffniveaus. Das minimale Sauerstoffniveau kann ein Niveau von Sauerstoff oberhalb desjenigen, das für eine vollständige Verbrennung des gesamten, in einen Motor und Abgassysteme injizierten Kraftstoffs erforderlich ist, umfassen. Das minimale Sauerstoffniveau umfasst etwa 10 Gew.-% Sauerstoff. In bestimmten Ausführungsformen kann das Luftinjektionssystem so betrieben werden, dass es Luft stromauf des Katalysators injiziert, um Lambda-Verhältnisse unterhalb von etwa 1,1 in dem Katalysator zu verhindern.
  • Hierin beschrieben wird ein Abgasreinigungssystem für die Verringerung von Emissionen aus einem Abgasstrom, wobei das System ein Sauerstoff-Nachweissystem, einen Katalysator, ein zwischen dem Sauerstoff-Nachweissystem und dem Katalysator positioniertes Luftinjektionssystem und eine Steuerung, die Anweisungen zum Injizieren von Luft in den Abgasstrom bei Nachweis eines Sauerstoffniveaus des Abgasstroms unterhalb eines minimalen Sauerstoffniveaus umfasst, um den Katalysator vor sauerstoffverarmten Bedingungen zu schützen, umfasst.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst das minimale Sauerstoffniveau ein Niveau von Sauerstoff oberhalb desjenigen, das für die vollständige Verbrennung des gesamten, in einen Motor und Abgassysteme injizierten Kraftstoffs erforderlich ist. Das minimale Sauerstoffniveau umfasst etwa 10 Gew.-% Sauerstoff oder mehr.
  • In bestimmten Ausführungsformen umfasst die Steuerung Anweisungen, Luft in einer solchen Weise zu injizieren, dass ein Lambda-Verhältnis oberhalb von etwa 1,1 in dem in den Katalysator eintretenden Abgasstrom gehalten wird. In einigen Ausführungsformen umfasst die Steuerung Anweisungen, Luft in einer solchen Weise zu injizieren, dass ein Sauerstoffniveau eines in den Katalysator eintretenden Abgasstroms über einem Niveau von Sauerstoff gehalten wird, das für eine vollständige Verbrennung des gesamten, in einen Motor und Abgassysteme injizierten Kraftstoffs erforderlich ist. In einigen Ausführungsformen umfasst die Steuerung Anweisungen, Luft so zu injizieren, dass ein Sauerstoffniveau des Abgasstroms oberhalb des minimalen Sauerstoffniveaus in dem in den Katalysator eintretenden Abgasstrom gehalten wird. Die Steuerung kann Anweisungen enthalten, Luft in einer solchen Weise, dass ein Sauerstoffniveau des Abgasstroms oberhalb von etwa 10 Gew.-% Sauerstoff in dem in den Katalysator eintretenden Abgasstrom gehalten wird, zu injizieren. Das Luftinjektionssystem umfasst ein Ventil und die Steuerung umfasst Anweisungen, das Ventil in Reaktion auf nachgewiesene Sauerstoffniveaus des Abgasstroms zu betätigen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Verringern von Emissionen aus einem Abgasstrom gemäß Anspruch 1 ein Nachweisen eines Sauerstoffniveaus in dem Abgasstrom stromauf eines Katalysators und ein Injizieren von Luft stromauf des Katalysators bei festgelegten Abgasbedingungen, um den Katalysator vor sauerstoffverarmten Bedingungen zu schützen. In einigen Ausführungsformen wird die Luft injiziert, um ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis stromauf des Katalysators einzustellen. Beispielsweise kann die Luft injiziert werden, um für ein mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis in dem in den Katalysator eintretenden Abgasstrom zu sorgen. In einigen Ausführungsformen umfassen die festgelegten Abgasbedingungen ein fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Die Luft wird injiziert, um für ein Sauerstoffniveau des Abgasstroms oberhalb des minimalen Sauerstoffniveaus in dem in den Katalysator eintretenden Abgas zu sorgen. Gemäß der Erfindung wird Luft injiziert, um ein Sauerstoffniveau oberhalb von etwa 10 Gew.-% Sauerstoff in dem in den Katalysator eintretenden Abgasstrom zu liefern.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt eine in Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendete Systemkonfiguration.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Verfahren der vorliegenden Erfindung betreffen die Reinigung eines Abgases aus einem Dieselmotor.
  • Die Systeme, die in Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden, umfassen ein Sauerstoff-Nachweissystem zum Überwachen der Sauerstoffniveaus in dem Abgasstrom, ein Luftinjektionssystem und einen oder mehrere Katalysator(en), der/die zu einer lang anhaltenden Schädigung oder Deaktivierung neigt/neigen, wenn er/sie sauerstoffverarmten Abgasbedingungen ausgesetzt ist/sind. Diese Komponenten können zusammenarbeiten, um das Dieselmotorabgas zu überwachen und beim Nachweisen eines sauerstoffverarmten Zustands in dem Abgasstrom eine Injektion von Luft in den Abgasstrom zu aktivieren. Solche Systeme und Verfahren sollen Katalysatoren, die für eine Beschädigung und/oder Deaktivierung bei einer Exposition gegenüber sauerstoffverarmten Bedingungen anfällig sind, schützen. Die hier beschriebenen Katalysatorschutzsysteme und -verfahren können geeignet sein, eine Steuerungsstrategie der Motorverbrennung zu verbessern, (um) fette Bedingungen zu verhindern, oder können dazu verwendet werden, diese Typen von Katalysatoren an Motoren anzupassen, die nicht ursprünglich für einen Betrieb mit diesen ausgestaltet sind (d.h. nachzurüsten).
  • Wie hier verwendet, sind „stromauf“ und „stromab“ relative Begriffe bezüglich der Richtung des Abgasstroms aus dem Motor und in die Atmosphäre.
  • Sauerstoff-Nachweissystem
  • Die Systeme, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können ein Sauerstoff-Nachweissystem umfassen, um die Sauerstoffniveaus in dem Abgasstrom nachzuweisen und zu überwachen. Die Sauerstoffniveaus in dem Abgasstrom können mittels eines beliebigen geeigneten Verfahrens, einschließlich einem oder mehreren Sensor(en), wie z.B. Sauerstoffsensoren, nachgewiesen werden. Die Sauerstoffsensoren können Abgas-montiert sein. Ein Sauerstoffnachweis kann mittels anderer Abgas-montierter Sensoren mit Sauerstoffmessungs- oder -nachweisfunktionen durchgeführt werden. Das Sauerstoff-Nachweissystem kann ein von einer Motorsteuerungseinheit herrührendes Signal umfassen, wobei die Sauerstoffniveaus unter Verwendung von Eingangssignalen von Sensoren und/oder Steuerungstabellen berechnet werden können.
  • Ein Sauerstoffsensor kann Daten messen und liefern, die das Sauerstoffniveau in dem Abgasstrom betreffen, die dazu verwendet werden können, zu bestimmen, wann eine Luftinjektion in den Abgasstrom aktiviert und/oder deaktiviert werden soll.
  • Das Sauerstoff-Nachweissystem kann in einer Weise angeordnet sein und betrieben werden, die den Nachweis und die Überwachung der Sauerstoffniveaus des Abgasstroms stromauf des Katalysators, der bei einer Exposition gegenüber sauerstoffverarmten Bedingungen für eine Beschädigung und/oder Deaktivierung anfällig ist, ermöglicht.
  • Luftinjektionssystem
  • Die Systeme, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, umfassen ein Luftinjektionssystem. Die Luft wird mittels eines beliebigen geeigneten Verfahrens stromauf des Katalysators, der bei einer Exposition gegenüber sauerstoffverarmten Bedingungen für eine Beschädigung und/oder Deaktivierung anfällig ist, injiziert. Die Luftquelle kann beispielsweise Umgebungsluft, Luft aus dem Ansaugkrümmer des Motors und/oder Luft aus dem Kompressionsluftbehälter und/oder -system des Fahrzeugs sein.
  • Eine Luftpumpe kann zur Bereitstellung von Umgebungsluft verwendet werden. Die Luft kann mittels einer Injektionsleitung, die durch ein Ventil gesteuert ist, in den Abgasstrom injiziert werden. Das Ventil kann von einer Steuerung gesteuert werden, die - basierend auf Informationen aus dem Sauerstoff-Nachweissystem - Anweisungen zum Injizieren von Luft in den Abgasstrom und zum Stoppen der Luftinjektion liefern kann. Beispielsweise kann die Steuerung bei einem Nachweis von Sauerstoffniveaus des Abgasstroms unterhalb eines minimalen Sauerstoffniveaus Anweisungen liefern, das Ventil zum Injizieren von Luft in den Abgasstrom zu öffnen, um den Katalysator vor sauerstoffverarmten Bedingungen zu schützen.
  • Katalysator
  • Die Systeme, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, umfassen einen oder mehrere Katalysatoren, die bei einer Exposition gegenüber sauerstoffverarmten Bedingungen für eine Beschädigung und/oder Deaktivierung anfällig sind. Sauerstoffverarmte Bedingungen können als Sauerstoffniveaus definiert werden, die einen oder mehrere Katalysatoren in dem System beschädigen und/oder deaktivieren können. In einigen Ausführungsformen können sauerstoffverarmte Bedingungen als Bedingungen eines fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses definiert sein. Sauerstoffverarmte Bedingungen können als ein Sauerstoffniveau unterhalb von etwa 10 Gew.-% Sauerstoff in dem in den Katalysator eintretenden Abgasstrom definiert sein.
  • Beispiele für Katalysatoren, die bei einer Exposition gegenüber sauerstoffverarmten Bedingungen anfällig für eine Beschädigung und/oder Deaktivierung sein können, können einen NOx-Speicherkatalysator, wie z.B. einen Kaltstart-Katalysator, Passiv-NOx-Adsorber, NOX-Fallen und dergleichen umfassen.
  • NOX-Speicherkatalysator
  • NOx-Speicherkatalysatoren können Vorrichtungen umfassen, die NOx entsprechend bestimmten Bedingungen, im Allgemeinen in Abhängigkeit von der Temperatur und/oder fetten/mageren Abgasbedingungen, adsorbieren, freisetzen und/oder reduzieren. NOx-Speicherkatalysatoren können beispielsweise Passiv-NOx-Adsorber, Kaltstart-Katalysatoren, NOX-Fallen und dergleichen umfassen.
  • Passiv-NOx-Adsorber
  • Die Systeme, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können einen oder mehrere Passiv-NOx-Adsorber umfassen. Ein Passiv-NOx-Adsorber ist eine Vorrichtung, die zum Adsorbieren von NOx bei oder unterhalb einer niedrigen Temperatur und zum Freisetzen des adsorbierten NOx bei Temperaturen oberhalb der niedrigen Temperatur wirksam ist. Ein Passiv-NOx-Adsorber kann ein Edelmetall und ein kleinporiges Molekularsieb umfassen. Das Edelmetall ist vorzugsweise Palladium, Platin, Rhodium, Gold, Silber, Iridium, Ruthenium, Osmium oder Gemische hiervon. Vorzugsweise beträgt die niedrige Temperatur etwa 200 °C, etwa 250 °C oder liegt zwischen etwa 200 °C und etwa 250 °C. Ein Beispiel eines geeigneten Passiv-NOx-Adsorbers ist in der US 2015/ 0 158019 A beschrieben, die hier durch Bezugnahme in ihrer Gänze aufgenommen ist.
  • Das kleinporige Molekularsieb kann ein beliebiges natürliches oder synthetisches Molekularsieb, einschließlich Zeolithen, sein und ist vorzugsweise aus Aluminium, Silicium und/oder Phosphor aufgebaut. Die Molekularsiebe weisen typischerweise eine dreidimensionale Anordnung von SiO4, AlO4 und/oder PO4 auf, die durch gemeinsame Sauerstoffatome verbunden sind, sie können jedoch auch zweidimensionale Strukturen sein. Die Molekularsiebgerüste sind typischerweise anionisch, wobei sie durch ladungskompensierende Kationen, typischerweise Alkali- und Erdalkalimetallelemente (z.B. Na, K, Mg, Ca, Sr und Ba), Ammoniumionen und auch Protonen ausgeglichen werden. Weitere Metalle (z.B. Fe, Ti und Ga) können in das Gerüst des kleinporigen Molekularsiebs eingebaut werden, um ein Molekularsieb mit eingebautem Metall herzustellen.
  • Vorzugsweise ist das kleinporige Molekularsieb aus einem Alumosilicat-Molekularsieb, einem metallsubstituierten Alumosilicat-Molekularsieb, einem Aluminophosphat-Molekularsieb oder einem metallsubstituierten Aluminophosphat-Molekularsieb ausgewählt. Bevorzugter ist das kleinporige Molekularsieb ein Molekularsieb mit dem Gerüsttyp ACO, AEI, AEN, AFN, AFT, AFX, ANA, APC, APD, ATT, CDO, CHA, DDR, DFT, EAB, EDI, EPI, ERI, GIS, GOO, IHW, ITE, ITW, LEV, KFI, MER, MON, NSI, OWE, PAU, PHI, RHO, RTH, SAT, SAV, SIV, THO, TSC, UEI, UFI, VNI, YUG und ZON sowie Gemischen oder Verwachsungen von beliebigen zwei oder mehr hiervon. Besonders bevorzugte Verwachsungen der kleinporigen Molekularsiebe umfassen KFI-SIV, ITE-RTH, AEW-UEI, AEI-CHA und AEI-SAV. Am stärksten bevorzugt ist das kleinporige Molekularsieb AEI oder CHA oder eine AEI-CHA-Verwachsung.
  • Ein geeigneter Passiv-NOx-Adsorber kann mittels beliebiger bekannter Maßnahmen hergestellt werden. Beispielsweise kann das Edelmetall zu dem kleinporigen Molekularsieb zur Herstellung des Passiv-NOx-Adsorbers mittels beliebiger bekannter Maßnahmen zugegeben werden. Beispielsweise kann eine Edelmetallverbindung (wie z.B. Palladiumnitrat) durch Imprägnierung, Adsorption, lonenaustausch, Trockenimprägnierung, Fällung oder dgl. auf das Molekularsieb geträgert werden. Weitere Metalle können dem Passiv-NOx-Adsorber ebenfalls zugegeben werden. Vorzugsweise befindet sich ein gewisser Teil des Edelmetalls (mehr als 1 Prozent des gesamten zugegebenen Edelmetalls) in dem Passiv-NOx-Adsorber im Inneren der Poren des kleinporigen Molekularsiebs. Bevorzugter befinden sich mehr als 5 Prozent der gesamten Menge des Edelmetalls im Inneren der Poren des kleinporigen Molekularsiebs, und noch bevorzugter können sich mehr als 10 Prozent oder mehr als 25 Prozent oder mehr als 50 Prozent der Gesamtmenge des Edelmetalls im Inneren der Poren des kleinporigen Molekularsiebs befinden.
  • Vorzugsweise umfasst der Passiv-NOx-Adsorber des Weiteren ein Durchflusssubstrat oder ein Filtersubstrat. Der Passiv-NOx-Adsorber wird auf das Durchfluss- oder Filtersubstrat aufgetragen und vorzugsweise auf dem Durchfluss- oder Filtersubstrat unter Verwendung eines Washcoatverfahrens abgelagert, um ein Passiv-NOx-Adsorbersystem herzustellen.
  • Kaltstart-Katalysator
  • Das Verfahren der vorliegenden Erfindung umfasst eine Verwendung eines oder mehrerer Kaltstart-Katalysatoren. Ein Kaltstart-Katalysator ist eine Vorrichtung, die zum Adsorbieren von NOx und Kohlenwasserstoffen (HC) bei oder unterhalb einer niedrigen Temperatur und Umwandeln und Freisetzen des adsorbierten NOx und HC bei Temperaturen oberhalb der niedrigen Temperatur wirksam ist. Vorzugsweise beträgt die niedrige Temperatur etwa 200 °C, etwa 250 °C oder liegt zwischen etwa 200 °C und etwa 250 °C. Ein Beispiel eines geeigneten Kaltstart-Katalysators ist in der WO 2015 / 085 300 A beschrieben, die hier durch Bezugnahme in ihrer Gänze aufgenommen ist.
  • Der Kaltstart-Katalysator umfasst einen Molekularsiebkatalysator und einen geträgerten Platingruppenmetallkatalysator. Der Molekularsiebkatalysator umfasst ein Edelmetall und ein Molekularsieb oder besteht im Wesentlichen daraus. Der geträgerte Platingruppenmetallkatalysator umfasst ein oder mehrere Platingruppenmetalle und einen oder mehrere anorganische Oxidträger. Das Edelmetall ist vorzugsweise Palladium, Platin, Rhodium, Gold, Silber, Iridium, Ruthenium, Osmium oder Gemische hiervon.
  • Das Molekularsieb kann ein beliebiges natürliches oder ein synthetisches Molekularsieb, einschließlich Zeolithen, sein und ist vorzugsweise aus Aluminium, Silicium und/oder Phosphor aufgebaut. Die Molekularsiebe weisen typischerweise eine dreidimensionale Anordnung von SiO4, AlO4 und/oder PO4 auf, die durch gemeinsame Sauerstoffatome verbunden sind, sie können jedoch auch zweidimensionale Strukturen sein. Die Molekularsiebgerüste sind typischerweise anionisch, wobei sie durch ladungskompensierende Kationen, typischerweise Alkali- und Erdalkalimetallelemente (z.B. Na, K, Mg, Ca, Sr und Ba), Ammoniumionen und auch Protonen ausgeglichen werden.
  • Das Molekularsieb kann vorzugsweise ein kleinporiges Molekularsieb mit einer maximalen Ringgröße von acht tetraedrischen Atomen, ein mittelporiges Molekularsieb mit einer maximalen Ringgröße von zehn tetraedrischen Atomen oder ein großporiges Molekularsieb mit einer maximalen Ringgröße von zwölf tetraedrischen Atomen sein. Bevorzugter weist das Molekularsieb eine Gerüststruktur von AEI, MFI, EMT, ERI, MOR, FER, BEA, FAU, CHA, LEV, MWW, CON, EUO oder Gemischen hiervon auf.
  • Der geträgerte Platingruppenmetallkatalysator umfasst ein oder mehrere Platingruppenmetalle („PGM“) und einen oder mehrere anorganische Oxidträger. Das PGM kann Platin, Palladium, Rhodium, Iridium oder Kombinationen hiervon und in am stärksten bevorzugter Weise Platin und/oder Palladium sein. Die anorganischen Oxidträger umfassen in üblichster Weise Oxide der Elemente der Gruppen 2, 3, 4, 5, 13 und 14. Geeignete anorganische Oxidträger weisen vorzugsweise Oberflächen in dem Bereich von 10 bis 700 m2/g, Porenvolumina in dem Bereich von 0,1 bis 4 mL/g und Porendurchmesser von etwa 10 bis 1000 Ångström auf. Der anorganische Oxidträger ist vorzugsweise Aluminiumoxid, Siliciumdioxid, Titanoxid, Zirconiumoxid, Ceroxid, Nioboxid, Tantaloxide, Molybdänoxide, Wolframoxide oder Mischoxide oder Verbundoxide von beliebigen zwei oder mehr hiervon, z.B. Siliciumdioxid-Aluminiumoxid, Ceroxid-Zirconiumoxid oder Aluminiumoxid-Ceroxid-Zirconiumoxid. Aluminiumoxid und Ceroxid sind besonders bevorzugt.
  • Der geträgerte Platingruppenmetallkatalysator kann mittels beliebiger bekannter Maßnahmen hergestellt werden. Vorzugsweise werden das eine oder die mehreren Platingruppenmetall(e) auf das eine oder die mehreren anorganischen Oxid(e) mittels beliebiger bekannter Maßnahmen geladen, um den geträgerten PGM-Katalysator auszubilden, wobei die Art der Zugabe als nicht besonders kritisch erachtet wird. Beispielsweise kann eine Platinverbindung (z.B. Platinnitrat) durch Imprägnieren, Adsorption, lonenaustausch, Trockenimprägnierung, Fällung oder dergleichen auf ein anorganisches Oxid geträgert werden. Weitere Metalle, wie beispielsweise Eisen, Mangan, Cobalt und Barium, können dem geträgerten PGM-Katalysator auch hinzugefügt werden.
  • Ein Kaltstart-Katalysator, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann mittels auf dem einschlägigen Fachgebiet wohlbekannter Verfahren hergestellt werden. Der Molekularsiebkatalysator und der geträgerte Platingruppenmetallkatalysator können physikalisch gemischt werden, um den Kaltstart-Katalysator herzustellen. Vorzugsweise umfasst der Kaltstart-Katalysator des Weiteren ein Durchflusssubstrat oder ein Filtersubstrat. In einer Ausführungsform werden der Molekularsiebkatalysator und der geträgerte Platingruppenmetallkatalysator auf das Durchfluss- oder Filtersubstrat aufgetragen und werden vorzugsweise unter Verwendung eines Washcoatverfahrens auf dem Durchfluss- oder Filtersubstrat abgelagert, um ein Kaltstart-Katalysatorsystem herzustellen.
  • NOX-Fallen
  • Systeme, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, können eine oder mehrere NOx-Fallen umfassen. NOx-Fallen sind Vorrichtungen, die NOx unter mageren Abgasbedingungen adsorbieren, das adsorbierte NOx unter fetten Bedingungen freisetzen und das freigesetzte NOX unter Bildung von N2 reduzieren.
  • Eine NOx-Falle kann ein NOx-Adsorptionsmittel für die Speicherung von NOx und einen Oxidations-/Reduktionskatalysator umfassen. Typischerweise reagiert Stickstoffmonoxid mit Sauerstoff in Gegenwart des Oxidationskatalysators unter Bildung von NO2. Zweitens wird das NO2 durch das NOx-Adsorptionsmittel in Form eines anorganischen Nitrats adsorbiert (z.B. wird BaO oder BaCO3 auf dem NOX-Adsorptionsmittel zu Ba(NO3)2 umgewandelt). Zuletzt, wenn der Motor unter fetten Bedingungen läuft, zersetzen sich die gespeicherten anorganischen Nitrate, wobei NO oder NO2 gebildet wird, welches anschließend durch Reaktion mit Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoffen (oder über NHX- oder NCO-Zwischenprodukte) in Gegenwart des Reduktionskatalysators reduziert wird, wobei N2 gebildet wird. Typischerweise werden die Stickstoffoxide in Gegenwart von Wärme, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffen in dem Abgassystem zu Stickstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasser umgewandelt.
  • Die NOx-Adsorptionsmittelkomponente ist vorzugsweise ein Erdalkalimetall (wie z.B. Ba, Ca, Sr und Mg), ein Alkalimetall (wie z.B. K, Na, Li und Cs), ein Seltenerdmetall (wie z.B. La, Y, Pr und Nd) oder Kombinationen hiervon. Diese Metalle werden typischerweise in Form von Oxiden angetroffen. Der Oxidations/Reduktionskatalysator kann ein oder mehrere Edelmetall(e) umfassen. Geeignete Edelmetalle können Platin, Palladium und/oder Rhodium umfassen. Vorzugsweise ist Platin enthalten, um die Oxidationsfunktion auszuführen, und Rhodium ist enthalten, um die Reduktionsfunktion auszuführen. Der Oxidations-/Reduktionskatalysator und das NOx-Adsorptionsmittel können auf ein Trägermaterial, wie beispielsweise ein anorganisches Oxid, zur Verwendung in dem Abgassystem geladen sein.
  • Systeme
  • Die Systeme, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sind zum Verringern von Emissionen aus einem Abgasstrom konfiguriert. Ein System kann ein Sauerstoff-Nachweissystem, einen Katalysator und ein zwischen dem Sauerstoff-Nachweissystem und dem Katalysator positioniertes Luftinjektionssystem zum Injizieren von Luft in den Abgasstrom bei festgelegten Abgasbedingungen zum Schützen des Katalysators vor sauerstoffverarmten Bedingungen umfassen. Wie hier beschrieben, kann der Katalysator eine Formulierung umfassen, die bei einer Exposition gegenüber sauerstoffverarmten Abgasbedingungen zu einer lang anhaltenden Deaktivierung neigt. Beispielsweise kann der Katalysator einen NOx-Speicherkatalysator, wie z.B. einen Kaltstart-Katalysator, einen Passiv-NOx-Adsorber, eine NOx-Falle und dergleichen umfassen.
  • Ein System kann ein Sauerstoff-Nachweissystem, einen Katalysator, ein zwischen dem Sauerstoff-Nachweissystem und dem Katalysator positioniertes Luftinjektionssystem und eine Steuerung, die Anweisungen zum Injizieren von Luft in den Abgasstrom bei einem Nachweis eines Sauerstoffniveaus des Abgasstroms unterhalb eines minimalen Sauerstoffniveaus umfasst, um den Katalysator vor sauerstoffverarmten Bedingungen zu schützen, umfassen.
  • Betrieb des Systems
  • Verfahren zum Verringern von Emissionen aus einem Abgasstrom gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen ein Nachweisen von Sauerstoffniveaus in dem Abgasstrom eines Dieselmotors stromauf eines Katalysators und ein Injizieren von Luft stromauf des Katalysators bei festgelegten Abgasbedingungen, um den Katalysator vor sauerstoffverarmten Bedingungen zu schützen. In einigen Ausführungsformen kann eine Steuerung Anweisungen zum Injizieren von Luft in den Abgasstrom bei einem Nachweis von festgelegten Abgasbedingungen bereitstellen.
  • Das Sauerstoffniveau kann mittels eines oben beschriebenen Sauerstoff-Nachweissystems nachgewiesen werden und eine Steuerung kann Anweisungen an ein Luftinjektionssystem liefern, um Luft in den Abgasstrom bei einem Nachweis der festgelegten Abgasbedingungen zu injizieren, um den Katalysator vor sauerstoffverarmten Bedingungen zu schützen.
  • In einigen Ausführungsformen umfassen die festgelegten Abgasbedingungen ein fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Die Luft kann injiziert werden, um ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis stromauf des Katalysators einzustellen. Beispielsweise kann die Luft injiziert werden, um für ein mageres Luft-Kraftstoff-Verhältnis in dem in den Katalysator eintretenden Abgasstrom zu sorgen. In einigen Ausführungsformen wird Luft in einer solchen Weise injiziert, dass ein Lambda-Verhältnis von unterhalb etwa 1,1 in dem in den Katalysator eintretenden Abgasstrom gehalten wird.
  • In einigen Ausführungsformen umfassen die festgelegten Abgasbedingungen ein (Sauerstoff-)Niveau des Abgasstroms unterhalb eines minimalen Sauerstoffniveaus. In einigen Ausführungsformen umfasst das minimale Sauerstoffniveau ein Niveau von Sauerstoff oberhalb desjenigen, das für eine vollständige Verbrennung des gesamten, in einen Motor und Abgassysteme injizierten Kraftstoffs erforderlich ist. In einigen Ausführungsformen umfasst das minimale Sauerstoffniveau Sauerstoff in einer Menge von etwa 10 Gew.-% oder mehr, etwa 15 Gew.-% oder mehr, etwa 20 Gew.-% oder mehr, etwa 10 Gew.-%, etwa 12 Gew.-%, etwa 14 Gew.-%, etwa 15 Gew.-%, etwa 16 Gew.-%, etwa 18 Gew.-% oder etwa 20 Gew.-%.
  • In einigen Ausführungsformen kann Luft in einer solchen Weise injiziert werden, dass ein Sauerstoffniveau eines Abgasstroms oberhalb des minimalen Sauerstoffniveaus in dem in den Katalysator eintretenden Abgasstrom gehalten wird. In einigen Ausführungsformen kann Luft so injiziert werden, dass ein Sauerstoffniveau eines in den Katalysator eintretenden Abgasstroms oberhalb eines Sauerstoffniveaus, das für eine vollständige Verbrennung des gesamten, in einen Motor und Abgassysteme injizierten Kraftstoffs erforderlich ist, gehalten wird.
  • Zusätzliche Komponenten
  • Die Systeme der vorliegenden Erfindung können des weiteren Komponenten, die zum Erreichen der gewünschten Emissionssteuerung für die speziellen Abgasstrombedingungen geeignet sind, umfassen. Solche Komponenten sind auf dem einschlägigen Fachgebiet bekannt und können selektive katalytische Reduktions-Katalysatoren, Reduktionsmittelinjektoren, Ammoniak-Slip-Katalysatoren, Dieseloxidationskatalysatoren, Partikelfilter und der gleichen umfassen.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Verringern von Emissionen aus einem Abgasstrom eines Dieselmotors, umfassend: a. Nachweisen und Überwachen eines Sauerstoffniveaus in dem Abgasstrom eines Dieselmotors stromauf eines Katalysators, der einen Kaltstart-Katalysator umfasst, der einen Molekularsiebkatalysator und einen geträgerten Platingruppenmetallkatalysator umfasst, wobei der Molekularsiebkatalysator ein Edelmetall und ein Molekularsieb umfasst und der geträgerte Platingruppenmetallkatalysator ein oder mehrere Platingruppenmetalle und einen oder mehrere anorganische Oxidträger umfasst; b. Injizieren von Luft stromauf des Katalysators bei festgelegten Abgasbedingungen, um den Katalysator vor sauerstoffverarmten Bedingungen zu schützen; wobei die Luft zur Bereitstellung eines Sauerstoffniveaus oberhalb von etwa 10 Gew.-% Sauerstoff in dem in den Katalysator eintretenden Abgasstrom injiziert wird, und wobei die Luft mittels einer Injektionsleitung, die durch ein Ventil gesteuert ist, in den Abgasstrom injiziert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Sauerstoffniveau mittels eines Abgasmontierten Sauerstoffsensors erfasst wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die festgelegten Abgasbedingungen ein fettes Luft-Kraftstoff-Verhältnis umfassen.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die festgelegten Abgasbedingungen ein Sauerstoffniveau des Abgasstroms unterhalb eines minimalen Sauerstoffniveaus umfassen.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das minimale Sauerstoffniveau ein Niveau von Sauerstoff oberhalb des Sauerstoffniveaus, das für eine vollständige Verbrennung des gesamten in einen Motor und Abgassysteme injizierten Kraftstoffs erforderlich ist, umfasst.
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