DE10361793A1 - NOx-Speicherkatalysator - Google Patents

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Abstract

Bei einem NOx-Speicherkatalysator für eine Brennkraftmaschine mit den Speicherkatalysatorkomponenten Ceroxid und einem Bariumsalz und/oder Bariumoxid, ist im Katalysatoraustrittsbereich der Anteil der Bariumkomponente größer als der Anteil der Ceroxidkomponente.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen NOx-Speicherkatalysator für die Abgase einer Brennkraftmaschine, insbesondere mager betreibbare Ottomotoren oder Dieselmotoren, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Heutige NOx-Speicherkatalysatoren für mager betreibbare Brennkraftmaschinen oder Dieselbrennkraftmaschinen enthalten zur Speicherung der im Magerbetrieb entstehenden Stickoxide Speicherkomponenten aus der Gruppe der Oxide der Alkali- und Erdalkalimetalle, insbesondere Bariumoxid, sowie Ceroxid, wie dies beispielsweise in der DE 198 38 282 A1 beschrieben ist.
  • Ein Problem bei derartigen Katalysatoren ist jedoch das stark temperaturabhängige Speicherverhalten der Speichermaterialien. So kommt es beim Motorbetrieb bei dieseltypischen Abgastemperaturen von 240°C im Teillastbereich bei derartigen Katalysatoren auch im Mageren zu einer NOx-Desorption. Es wird beobachtet, dass mit jeder Temperaturwelle, die nach jeder Regeneration durch den Katalysator, d.h. den Monolithen, läuft, Stickoxide in der Magerphase freigesetzt werden. Dabei beträgt die Temperaturwelle im Monolithen ca. 320°C. Die Temperaturwelle im Katalysator wird ausgelöst durch das hohe Angebot an oxidierbaren Komponenten, so dass es nach jeder Fettphase zu exothermen Reaktionen auf dem Katalysator kommt, wobei durch die Temperaturerhöhung Stickoxide ausgelagert werden.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Katalysator zu schaffen, dessen NOx-Austrag während der Magerphase minimiert wird.
  • Diese Aufgabe wird durch einen NOx-Speicherkatalysator nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Der erfindungsgemäße NOx-Speicherkatalysator umfaßt die Komponenten Ceroxid und ein Bariumsalz und/oder Bariumoxid, wobei im Katalysatoraustrittsbereich der Anteil der Bariumkomponente großer ist als der Anteil der Ceroxidkomponente. Vorzugsweise ist im Katalysatoreintrittsbereich der Anteil der Ceroxidkomponente größer als der Anteil der Bariumkomponente.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform nimmt der Anteil der Bariumkomponente von der Katalysatoreintrittsseite zur Katalysatoraustrittsseite zu, während die Ceroxidkomponente über diesem Bereich abnimmt. Vorzugsweise verläuft die Abnahme bzw. Zunahme stetig.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Katalysatorkomponenten in einem Monolithen angeordnet, wobei die Verteilung der Komponenten über den Monolithen, d.h. in Durchströmrichtung des Abgases, verläuft wie oben beschrieben
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Katalysatorkomponenten in zwei hintereinander angeordneten Monolithen angeordnet sind. Vorzugsweise übersteigt im ersten Monolithen der Anteil der Ceroxidkomponente den der Bariumkomponente, während im zweiten Monolithen der Anteil der Bariumkomponente den der Ceroxidkomponente übersteigt.
  • Vorzugsweise wird die Bariumkomponente durch Bariumoxid und/oder Bariumcarbonat gebildet.
  • Einsetzbar ist der erfindungsgemäße Katalysator bei mager betreibbaren Ottomotoren oder Dieselmotoren.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigt
  • 1 ein Diagramm zur Erläuterung der Thermo-Desorption während der Magerphase Magerbetrieb im zeitlichen Verlauf,
  • 2 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Speicherkatalysators, und
  • 3 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Speicherkatalysators.
  • 1 dient zur Erläuterung der Thermo-Desorption in einem NOx-Speicherkatalysator in zeitlicher Darstellung. Dargestellt sind Fettphasen A, die zur Regeneration des Katalysators dienen, sowie Magerphasen B. Dabei zeigt Kurve I den Verlauf der Luftzahl λ als Funktion der Zeit t. Kurve II zeigt den NOx-Gehalt in ppm des Abgases einer Brennkraftmaschine vor dem Eintritt in den NOx-Speicherkatalysator. Es ist deutlich zu erkennen, dass der NOx-Gehalt des Abgases sich synchron zu dem λ-Verlauf verhält. Kurve III der 1 zeigt den NOx-Gehalt des Abgases nach dem Katalysator. Bedingt durch die Fettphase sind deutlich die Desorptionspeaks DPF zu erkennen. Ferner sind in Kurve III Thermodesorptionspeaks DPM während der Magerphase zu erkennen, mit anderen Worten, während der Magerphase nimmt die Speicherfähigkeit des Katalysators ab und es kommt zu einer Verschlechterung der Einlagerung von NOx. Dieses Verhalten des Katalysators ist darin begründet, dass aus der Verbrennung eines Überangebots an Reduktionsmitteln während der Fettphase eine zu hohe Festkörpertemperatur des Speichermaterials des Katalysators während der Magerphase resultiert. Dies hat eine Abnahme der Speicherfähigkeit des Katalysatormaterials zur Folge, die sich als Thermo-Desorption während der Magerphase darstellt. Der Zusammenhang ergibt sich aus den Kurven IV und V, die den Verlauf der Temperatur T des Abgases vor dem Katalysator (Kurve IV) und den der Temperatur T des Abgases nach dem Katalysator darstellen. Es ist zu erkennen, dass der Temperaturpeak der Kurve IV aufgrund der Fettphase mit zeitlicher Verzögerung abgeflacht am Katalysatorausgang erscheint (Kurve V). Daraus folgt, dass sich eine Temperaturwelle durch den Festkörper des Katalysators bewegt.
  • Verantwortliches Speichermaterial für diesen Effekt ist das Ceroxid, welches bei ca. 270°C die Stickoxide in Form von Cer-Nitraten nicht mehr speichern kann. Um der Temperaturabhängigkeit entgegen zu wirken, wird neben der Ceroxidkomponente als zweites Speichermaterial Bariumoxid und/oder Bariumcarbonat verwendet, welches erst bei ca. 350°C anfängt instabil zu werden und daher im Teillastbetrieb noch NOx aufnehmen kann.
  • 2 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen NOx-Speicherkatalysators 1, der eine Abgaseintrittsseite 2 sowie eine Abgasaustrittsseite 3 aufweist, wobei der Katalysator in Pfeilrichtung vom Abgas durchströmt wird. Der Katalysator weist einen Monolithen 4 auf, dessen Anteil an der Ceroxidkomponente an der Einlaßseite größer ist als derjenige der Bariumkomponente. An der Austrittsseite hat sich dieses Verhältnis umgekehrt, hier ist der Anteil der Bariumkomponente größer als der der Ceroxidkomponente. Dies ist schematisch dargestellt durch die Pfeile 5 und 6 im Monolithen, wobei der Pfeil 5 den Anteil der Ceroxidkomponente und Pfeil 6 den Anteil der Bariumkomponente darstellt und visualisiert. Insbesondere ändert sich der Anheil der jeweiligen Komponente stetig über die Länge des Monolithen 4.
  • 3 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen NOx-Speicherkatalysators 1 mit einer Eintrittsseite 2 und einer Austrittsseite 3. Der Katalysator 1 umfaßt einen ersten Monolithen 7 und einen in Abgasströmungsrichtung nachfolgend angeordneten Monolithen 8. Hier übersteigt der Anteil der Ceroxidkomponente, dargestellt durch den Pfeil 9, denjenigen der Bariumkomponente, symbolisiert durch den Pfeil 10. Im zweiten Monolithen ist das Verhältnis umgekehrt, hier übersteigt der Anteil der Bariumkomponente, dargestellt durch den Pfeil 12, denjenigen der Ceroxidkomponente 11.
  • Durch diese Maßnahmen wird sichergestellt, dass bei einer durch den Festkörper des Katalysators laufende Temperaturwelle aufgrund der Fettphase eine Thermo-Desorption von Stickoxiden während der Magerphase minimiert bzw. unterbunden wird.
    • t
    Zeit
    T
    Abgastemperatur
    λ
    Luftzahl (Kraftstoff/Luft-Verhältnis)
    A
    Fettphase
    B
    Magerphase
    I
    λ als Funktion der Zeit t
    II
    NOx-Gehalt vor dem Katalysator als Funktion der Zeit t
    III
    NOx-Gehalt nach dem Katalysator als Funktion der Zeit t
    IV
    Abgastemperatur vor dem Katalysator als Funktion der Zeit
    V
    Abgastemperatur nach dem Katalysator als Funktion der Zeit
    DPF
    Desorptionspeak in der Fettphase
    DPM
    Desorptionspeak in der Magerphase
    1
    NOx-Speicherkatalysator
    2
    Eintrittsseite
    3
    Austrittsseite
    4
    Monolith
    5
    Anteil der Cer-Komponente
    6
    Anteil der Barium-Komponente
    7
    erster Monolith
    8
    zweiter Monolith
    9
    Anteil der Cer-Komponente im ersten Monolithen
    10
    Anteil der Barium-Komponente im ersten Monolithen
    11
    Anteil der Cer-Komponente im zweiten Monolithen
    12
    Anteil der Barium-Komponente im zweiten Monolithen

Claims (9)

  1. NOx-Speicherkatalysator (1) für eine Brennkraftmaschine mit den Speicherkatalysatorkomponenten Ceroxid und einem Bariumsalz und/oder Bariumoxid, dadurch gekennzeichnet, dass im Katalysatoraustrittsbereich der Anteil der Bariumkomponente großer ist als der Anteil der Ceroxidkomponente.
  2. Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Katalysatoreintrittsbereich der Anteil der Ceroxidkomponente größer ist als der Anteil der Bariumkomponente.
  3. Katalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Bariumkomponente von Katalysatoreintrittsseite (2) zur Katalysatoraustrittsseite (3) zunimmt und die Ceroxidkomponente über diesem Bereich abnimmt.
  4. Katalysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abnahme bzw. Zunahme stetig verläuft.
  5. Katalysator nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorkomponenten in einem Monolithen (4) angeordnet sind.
  6. Katalysator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysatorkomponenten in zwei hintereinander angeordneten Monolithen (7, 8) angeordnet sind.
  7. Katalysator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Monolithen (7) der Anteil der Ceroxidkomponente den der Bariumkomponente übersteigt und im zweiten Monolithen (8) der Anteil der Bariumkomponente den der Ceroxidkomponente übersteigt.
  8. Katalysator nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bariumkomponente durch Bariumoxid und/oder Bariumcarbonat gebildet wird.
  9. Katalysator nach einem der vorangegangenen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine ein mager betreibbarer Ottomotor oder ein Dieselmotor ist.
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