DE19636041A1 - Waste gas purification process - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Abgasreinigungsverfahren für eine selbstzündende Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine selbstzündende Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 22.The invention relates to an exhaust gas purification method for a self-igniting Internal combustion engine according to the preamble of claim 1 and a Self-igniting internal combustion engine according to claim 22.
Aus der US 4,755,499 ist die reversible Speicherung von Stickoxiden und Schwefeloxiden z. B. aus Abgasen von Kraftfahrzeugen bekannt, wobei der Absorber durch Erhitzen in einer reduzierenden Atmosphäre regeneriert wird. Hierbei tritt gleichzeitig eine Reduktion der Stickoxide ein.The reversible storage of nitrogen oxides and sulfur oxides is known from US Pat. No. 4,755,499 e.g. B. known from exhaust gases from motor vehicles, the absorber by heating in a reducing atmosphere is regenerated. At the same time, there is a reduction in Nitrogen oxides.
Ein solcher Speicherkatalysator ist in der EP 0 580 389 A für den Einsatz bei Kraftfahrzeugen näher beschrieben, wobei auch hier hohe Temperaturen (über 500°C) für die Regeneration des Absorbers notwendig sind. Hierdurch ist der Einsatz des Speicherkatalysators nur bei Kraftfahrzeugen möglich, die eine hohe Abgastemperatur haben, d. h. insbesondere bei Kraftfahrzeugen mit einem Otto-Motor. Jedoch ist auch hier der Einsatz nur bedingt möglich, da unter bestimmten Betriebsbedingungen der Verbrennungskraftmaschine, wie sie beispielsweise im Stadtverkehr gegeben sind, durch die Beschleunigungsphasen ein hoher Stickoxidausstoß erfolgt, nicht jedoch eine hohe Temperatur erreicht wird, die für die Regeneration des Absorbers, insbesondere von Schwefeloxiden, erforderlich ist.Such a storage catalytic converter is used in EP 0 580 389 A Motor vehicles described in more detail, with high temperatures (above 500 ° C) for regeneration of the absorber is necessary. This is the use of Storage catalytic converter only possible in motor vehicles that have a high exhaust gas temperature have, d. H. especially in motor vehicles with an Otto engine. However, here too use is only possible to a limited extent, since under certain operating conditions the Internal combustion engine, such as are given for example in city traffic the acceleration phases result in high nitrogen oxide emissions, but not high ones Temperature is reached, which is essential for the regeneration of the absorber Sulfur oxides, is required.
Aus der EP 0 560 991 A ist ein Ottomotor mit einem Speicherkatalysator sowie je einem vor- und nachgeschalteten Dreiwegekatalysator bekannt. Durch die motornahe Anordnung des dem Absorber vorgeschalteten Dreiwegekatalysators heizt sich dieser nach einem Kaltstart des Ottomotors sehr schnell auf, so daß er frühzeitig seine katalytische Aktivität erreicht. Nach Erreichen seiner katalytischen Aktivität setzt der vorgeschaltete Dreiwegekatalysator die während der Warmlaufphase der Ottobrennkraftmaschine vermehrt vorliegenden HC und CO um, wobei gleichzeitig NOx reduziert wird. Hierdurch wird erreicht, daß während einer Warmlaufphase der Ottobrennkraftmaschine eine NOx-Reduktion im Abgas stattfindet, obwohl der NOx-Speicher noch nicht die für die Speicherung von NOx notwendige Temperatur erreicht hat. Diese Anordnung und Verfahrensweise ist nur bei Otto-Motoren sinnvoll, da Diesel-Motoren auch während der Warmlaufphase nicht genügend CO und HC emittieren, um den NOx-Anteil der Abgase genügend zu reduzieren. Abgesehen von der besseren Abgasreinigung während der Warmlaufphase zeigt der Otto-Mo tor mit Vorkatalysator keine verbesserte NOx-Reduktion. Des weiteren sind aus dieser Veröffentlichung zwei Verfahren zur NOx-Reduktion bei Dieselbrennkraftmaschinen bekannt, die zum einen auf einer Drosselung der Luftzufuhr zu der Dieselbrennkraftmaschine und zum anderen auf einer Kraftstoffeindüsung beruhen. Dieselbrennkraftmaschinen, die mit solchen NOx-Speichern ausgerüstet sind, zeigen jedoch bei höheren Abgastemperaturen eine deutliche Abnahme der NOx-Speicherung im NOx-Speicher.EP 0 560 991 A describes a gasoline engine with a storage catalytic converter and one each upstream and downstream three-way catalyst known. Due to the arrangement close to the engine of the three-way catalytic converter upstream of the absorber heats up after a Cold start of the gasoline engine very quickly, so that it early its catalytic activity reached. After reaching its catalytic activity, the upstream one sets Three-way catalyst that increases during the warm-up phase of the gasoline engine HC and CO present, while NOx is reduced at the same time. This ensures that during a warm-up phase of the gasoline engine an NOx reduction in Exhaust gas takes place even though the NOx storage is not yet the one for storing NOx has reached the necessary temperature. This arrangement and procedure is only for Otto engines make sense, since diesel engines do not work even during the warm-up phase emit enough CO and HC to reduce the NOx content of the exhaust gases sufficiently. Apart from the better exhaust gas cleaning during the warm-up phase, the Otto-Mo shows Tor with pre-catalyst no improved NOx reduction. Furthermore are from this Publication of two methods for NOx reduction in diesel engines known, on the one hand on a throttling of the air supply to the Diesel engine and on the other hand based on a fuel injection. Diesel engines, however, which are equipped with such NOx stores, show at higher exhaust gas temperatures a significant decrease in NOx storage in the NOx storage.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen für den Einsatz mit Dieselbrennkraftmaschinen geeigneten Absorber für Stickoxide sowie ein entsprechendes Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit denen insgesamt eine hohe NOx-Reduktion möglich sein soll.The object of the invention is one for use with diesel internal combustion engines suitable absorbers for nitrogen oxides and a corresponding process places with which a high NOx reduction should be possible overall.
Bei dem eingangs beschriebenen Verfahren wird diese Aufgabe gelöst mit den kennzeichnenden Maßnahmen des Anspruchs 1, hinsichtlich der Brennkraftmaschine wird die Aufgabe gelöst mit den Merkmalen gemäß Anspruch 22.In the method described in the introduction, this object is achieved with the characterizing measures of claim 1, with respect to the internal combustion engine solved the problem with the features of claim 22.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Ausführungsformen, mit denen insbesondere auch bei sehr niedrigen Abgastemperaturen, wie sie beispielsweise bei direkteinspritzenden Verbrennungskraftmaschinen vorliegen, ein früher Einsatz der Absorberfunktion nach einem Kaltstart möglich ist.The subclaims show preferred embodiments, with which in particular also at very low exhaust gas temperatures, such as those with direct injection Internal combustion engines are present, an early use of the absorber function after a Cold start is possible.
Bei dem erfindungsgemäßen Abgasverfahren an einer selbstzündenden Brennkraftmaschine (Dieselbrennkraftmaschine) werden die Abgase der Brennkraftmaschine einem NOx-Speicher zugeführt, der unter ersten Betriebsbedingungen NOx aus dem zugeführten Abgas speichert. Die ersten Betriebsbedingungen sind insbesondere solche, bei denen im Abgas nettooxidierende Bedingungen (λ < 1 und insbesondere λ <1,1) vorliegen, wobei die Temperatur des Abgasstroms oberhalb 150°C und insbesondere oberhalb 200°C liegen soll. Unter zweiten Betriebsbedingungen, die von den ersten Betriebsbedingungen unterschiedlich sind, gibt der NOx-Speicher das gespeicherte NOx wieder ab, wobei dieses insbesondere unmittelbar bzw. sofort reduziert wird. Die zweiten Betriebsbedingungen sind insbesondere solche, bei denen das Abgas eine für die Reduktion der gespeicherten Stickoxide ausreichende Menge an Reduktionsmittel mit sich führt. Dies ist insbesondere bei einem λ (stöchiometrisches Luft- Kraftstoff-Verhältnis) 1,05 und insbesondere λ 1,0 der Fall. Erfindungsgemäß wurde nun gefunden, daß die NOx-Reduzierung erheblich gesteigert werden kann, wenn dem NOx-Speicher stromaufwärts im Abgasstrom ein Konverter vorgeschaltet wird, der bei einer Temperatur 230°C mindestens 50% des im Abgasstrom enthaltenen NO zur NO₂ umsetzt. Vorzugsweise erreicht der Konverter diesen Umsetzungsgrad bereits bei einer Temperatur 200°C und insbesondere bei der Temperatur 180°C. Üblicherweise erreichen solche Konverter eine mindestens 90-%ige Umsetzung des NO bei einer Temperatur 250°C.In the exhaust gas method according to the invention on a self-igniting Internal combustion engine (diesel engine) are the exhaust gases of the Internal combustion engine is supplied to a NOx accumulator that operates under first operating conditions NOx from the supplied exhaust gas is stored. The first operating conditions are especially those in which the net oxidizing conditions (λ <1 and in particular λ <1.1), the temperature of the exhaust gas stream being above 150 ° C. and in particular should be above 200 ° C. Under second operating conditions by the NOx accumulator gives the first operating conditions stored NOx again, this reducing in particular immediately or immediately becomes. The second operating conditions are particularly those in which the exhaust gas a sufficient amount for the reduction of the stored nitrogen oxides Reducing agent with it. This is particularly the case with a λ (stoichiometric air Fuel ratio) 1.05 and in particular λ 1.0 the case. According to the invention found that the NOx reduction can be increased significantly if the A converter is connected upstream of the NOx storage in the exhaust gas flow Temperature 230 ° C at least 50% of the NO contained in the exhaust gas flow to NO₂ implements. The converter preferably already achieves this degree of implementation at one Temperature 200 ° C and especially at the temperature 180 ° C. Usually such converters achieve an at least 90% conversion of the NO at one Temperature 250 ° C.
Alternativ, aber insbesondere zusätzlich wird mit dem Konverter ein in den Abgasen der Dieselbrennkraftmaschine vorliegendes NO₂/NO-Verhältnis vergrößert, wodurch dem nachfolgenden Speicher insbesondere in der Warmlaufphase der Dieselbrennkraftmaschine weniger NO zugeführt wird.Alternatively, but in particular in addition, the converter is used in the exhaust gases Diesel engine present NO₂ / NO ratio increased, which the subsequent storage especially in the warm-up phase of the diesel engine less NO is supplied.
Für solche NOx-Behandlungen eignen sich alle Verfahren, die eine Vergrößerung des NO₂- Anteils an den Stickoxiden bewirken, beispielsweise elektrische Entladungen im Abgassystem, bevorzugt Barriereentladungen, sowie katalytische Verfahren, insbesondere Oxidationskatalysatoren. Unter diesen sind insbesondere Oxidationskatalysatoren mit einem Element der Platingruppe und hier wiederum Platin selbst besonders bevorzugt. Solche Katalysatoren sind prinzipiell als Abgasnachbehandlungskatalysatoren für Dieselbrennkraftmaschinen bekannt.For such NOx treatments, all methods are suitable that increase the NO₂- Share in the nitrogen oxides, for example, electrical discharges in the Exhaust system, preferably barrier discharges, and catalytic processes, in particular Oxidation catalysts. These include, in particular, oxidation catalysts an element of the platinum group and here again platinum itself is particularly preferred. Such catalysts are principally used as exhaust gas aftertreatment catalysts Diesel engines known.
Im Gegensatz zum Einsatz eines dem NOx-Speicher vorgeschalteten Dreiwegekatalysators in Otto-Motoren ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bei der Abgasreinigung von Dieselbrennkraftmaschinen nicht notwendig, daß dem Konverter Reduktionsmittel für die Stickoxidreduktion zugeführt werden müssen, wobei die minimalen Mengen an CO und HC, die in den Dieselabgasen vorliegen, nicht schädlich sind. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht vielmehr darauf, daß durch das Anströmen des NOx-Speichers mit NO-armem aber NO₂-reichem Abgas die Physisorption (Adsorption) von NO bei relativ niedrigen Temperaturen des NOx-Speichers, d. h. insbesondere bei Temperaturen 200°C und besonders bei Temperaturen 180°C gemindert wird. Erfindungsgemäß wurde festgestellt, daß das NO eine teilweise Blockade des NOx-Speichers bewirkt, indem die Chemiesorption (Absorption) von NO₂ durch das angelagerte NO gemindert wird. Durch den dem NOx-Speicher vorgeschalteten Konverter wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht, daß die bei Dieselmotoren beim Kaltstart vorliegende Physisorptionsphase von NO stark reduziert wird.In contrast to the use of a three-way catalytic converter upstream of the NOx storage in Otto engines it is in the method according to the invention in the emission control of Diesel engines do not need the converter for the reducing agent Nitric oxide reduction must be supplied, the minimum amounts of CO and HC, that are present in the diesel exhaust gases are not harmful. The method according to the invention Rather, it is based on the fact that the NOx storage has a low NO flow NO₂-rich exhaust gas the physisorption (adsorption) of NO at relatively low NOx storage temperatures, i. H. especially at temperatures of 200 ° C and is reduced especially at temperatures of 180 ° C. According to the invention, it was found that the NO partially blocks the NOx storage by chemisorption (Absorption) of NO₂ is reduced by the deposited NO. By the NOx storage upstream converter is achieved in the method according to the invention, that the physical absorption phase of NO present in diesel engines when cold started is strong is reduced.
Die erfindungsgemäße deutliche NOx-Reduktion im von der Dieselbrennkraftmaschine an die Umgebung abgegebenen Abgas wird vermutlich durch folgenden Reaktionsablauf erreicht:The significant NOx reduction according to the invention from the diesel engine the surrounding exhaust gas is presumably caused by the following reaction sequence reached:
- - ab ca. 150°C absorbiert der NOx-Speicher NO₂;- from about 150 ° C, the NOx storage absorbs NO₂;
- - bis ca. 180°C lagert der NOx-Speicher NO ein;- The NOx storage NO is stored up to approx. 180 ° C;
- - ab ca. 200°C erfolgt am NOx-Speicher eine Oxidation von NO zu NO₂, sofern der NOx-Speicher eine Edelmetallbeschichtung (Platin) hat;- From about 200 ° C on the NOx storage there is an oxidation of NO to NO₂, provided that NOx storage has a precious metal coating (platinum);
- - die NO-Einlagerung blockiert die NO₂-Speicherung, wodurch, insbesondere bei hohen Raumgeschwindigkeiten, die NOx-Speicherfähigkeit des NOx-Speichers nachläßt;- The NO storage blocks NO₂ storage, which, especially at high Space velocities, the NOx storage capacity of the NOx storage decreases;
- - bei Temperaturen oberhalb ca. 250°C erfolgt eine Desorption von NO, ggf. unter Oxidation des NO zu NO₂, wobei ein beträchtlicher Teil des desorbierten NOx wegen der teilweisen Blockierung des Speichers nicht sofort wieder als NO₂ eingespeichert werden kann und ins Freie emittiert wird;- At temperatures above approx. 250 ° C, desorption of NO takes place, possibly below Oxidation of the NO to NO₂, with a significant part of the desorbed NOx because of partial blocking of the memory cannot be immediately saved as NO₂ again can and is emitted outdoors;
- - der motornah angeordnete Konverter erreicht schnell seine NO zu NO₂- Konvertierungstemperatur von ca. 200°C, bevor der NOx-Speicher seine NO-Einlagerungstemperatur erreicht, hierdurch wird dem NOx-Speicher nahezu kein NO zugeführt in der Phase, in der der NOx-Speicher NO zwar anlagern aber nicht zu NO₂ umsetzen kann.- The converter located close to the engine quickly reaches its NO to NO₂- Conversion temperature of approx. 200 ° C before the NOx accumulator is out NO storage temperature reached, as a result, the NOx storage is almost no NO supplied in the phase in which the NOx accumulate NO but not NO₂ can implement.
Auf Grund der anderen Arbeitsweise von Otto-Motoren tritt hier das erfindungsgemäß beschriebene Problem nicht auf.Due to the different mode of operation of Otto engines, this occurs according to the invention described problem does not arise.
Die angegebenen Temperaturen können je nach Ausführung des NOx-Speichers um 20 bis 50 K oder mehr abweichen. Die Temperaturen beziehen sich bei der beispielhaften Reaktionsfolge auf jeweils mindestens 50% Umsetzung bzw. Speicherung.The specified temperatures can vary by 20 to depending on the version of the NOx storage Deviate 50 K or more. The temperatures refer to the exemplary Response sequence to at least 50% implementation or storage.
Erfindungsgemäß wird also durch eine Vermeidung von NO-Einlagerung in den NOx-Speicher der Ausstoß von NOx vermindert. Dies zeigt sich beispielsweise in einem MVEG- Test mit einem direkt einspritzenden Dieselmotor mit 66 kW Leistung bei 1,9 l Hubraum. Hier kommt es ohne Einsatz eines NO/NO₂-Konverters zu einer starken Desorption im ersten Teil des EUDC-Abschnitts, mit Vorkatalysator tritt dieser Effekt nicht auf. Durch die Verlagerung der NO-Oxidation auf den Vorkatalysator wird am NOx-Speicher bei höheren Temperaturen und Raumgeschwindigkeiten außerdem eine höhere NOx(NO₂)-Speicherrate erzielt, da an dem NOx-Speicher nicht mehr zusätzlich zu der vergleichsweisen trägen Sorptionsreaktion auch noch die Oxidation von NO zu NO₂ erfolgen muß.According to the invention, therefore, by avoiding NO storage in the NOx storage reduces NOx emissions. This can be seen, for example, in an MVEG Test with a direct-injection 66 kW diesel engine with a displacement of 1.9 l. There is a strong desorption in the without using a NO / NO₂ converter first part of the EUDC section, this effect does not occur with a pre-catalyst. Through the Relocation of the NO oxidation to the pre-catalyst is at the NOx storage at higher Temperatures and space velocities also have a higher NOx (NO₂) storage rate achieved because the NOx storage is no longer sluggish in addition to the comparative one Sorption reaction also requires the oxidation of NO to NO₂.
Erfindungsgemäß ist der Konverter nahe am Abgasauslaß der Dieselbrennkraftmaschine angeordnet, d. h. vorteilhaft in einem Abstand 1 m und insbesondere in einem Abstand 70 cm.According to the invention, the converter is close to the exhaust gas outlet of the diesel engine arranged, d. H. advantageously at a distance of 1 m and in particular at a distance 70 cm.
Besonders vorteilhaft ist der Konverter als Metallkonverter ausgeführt, d. h. der Träger für die katalytisch wirksame Schicht wird aus einer Metallfolie hergestellt. Bevorzugt wird hierbei eine Metallfolie mit einer Dicke von 50 µm und insbesondere mit einer Dicke von 40 µm eingesetzt, wodurch ein besonders schnelles Aufheizen des Konverters auf seine Betriebstemperatur gewährleistet ist. Außerdem hat es sich erfindungsgemäß herausgestellt, daß der Konverter vorzugsweise ein Gesamtvolumen von 10 bis 25% und insbesondere von 15 bis 20% des Motorhubraums der Dieselbrennkraftmaschine aufweist, da sich bei diesem Verhältnis optimale NOx-Reinigungswerte erzielen lassen. Weiterhin hat der Konverter vorzugsweise eine Platinbeladung von 60 g/ft³. Diese Dimensionierung des Konverters ist deutlich unterschiedlich zu den üblicherweise bei Dieselbrennkraftmaschinen im Abgasstrom eingesetzten Oxidationskatalysatoren, die üblicherweise eine Platinbeladung von deutlich weniger als 50 g/ft³ auf Keramikträgern haben. Der Absorptionsspeicher hat hingegen vorteilhaft eine niedrigere Platinbelegung, d. h. insbesondere mit 50 g/ft³ Platin. The converter is particularly advantageously designed as a metal converter, i. H. the carrier for the catalytically active layer is made from a metal foil. Is preferred here a metal foil with a thickness of 50 microns and in particular with a thickness of 40 µm used, which means that the converter heats up particularly quickly Operating temperature is guaranteed. It has also been found according to the invention found that the converter preferably has a total volume of 10 to 25% and has in particular from 15 to 20% of the engine displacement of the diesel internal combustion engine, because optimal NOx cleaning values can be achieved with this ratio. Still has the converter preferably has a platinum load of 60 g / ft³. This dimensioning of the The converter is significantly different from that usually used in diesel engines Oxidation catalysts used in the exhaust gas flow, which are usually loaded with platinum of significantly less than 50 g / ft³ on ceramic substrates. The absorption memory has however, advantageously a lower platinum occupancy, i. H. especially with 50 g / ft³ platinum.
Wie schon ausgeführt, eignet sich die Erfindung insbesondere zum Einsatz bei direkteinspritzenden Dieselbrennkraftmaschinen, da bei deren Abgastemperaturen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die höchste Reinigungswirkung erzielt wird.As already stated, the invention is particularly suitable for use with direct-injection diesel engines, because at their exhaust gas temperatures with the inventive method the highest cleaning effect is achieved.
Erfindungsgemäß können die üblichen absorbierenden Materialien eingesetzt werden, wie sie beispielsweise in der US 4,755,499, aber auch in der EP 0 580 389 A oder WO 94- 04258 beschrieben sind. All diesen Speichermaterialien ist gemeinsam, daß sie eine erhöhte Arbeitstemperatur haben, wobei insbesondere beim Regenerieren (insbesondere beim Entfernen der Schwefeloxide) eine noch höhere Temperatur erforderlich ist. Bei den meisten Speichermedien dieser Art werden Temperaturen im Bereich von 150°C bis 700°C, insbesondere Temperaturen oberhalb 300°C benötigt. Solche Temperaturen treten bei Kraftfahrzeugen mit Otto-Motoren üblicherweise auf, sind jedoch bei Dieselkraftfahrzeugen und insbesondere bei direkteinspritzenden Dieselbrennkraftmaschinen verhältnismäßig selten.According to the invention, the usual absorbent materials can be used, such as for example in US 4,755,499, but also in EP 0 580 389 A or WO 94- 04258 are described. All these storage materials have in common that they are one have an increased working temperature, especially when regenerating (especially an even higher temperature is required when removing the sulfur oxides). Both Most storage media of this type have temperatures in the range of 150 ° C to 700 ° C, especially temperatures above 300 ° C required. Such temperatures occur in vehicles with Otto engines usually, but are in Diesel vehicles and especially direct injection Diesel engines are relatively rare.
Die bevorzugten NOx-Speichermaterialien zeichnen sich also dadurch aus, daß sie unter nettooxidierenden Bedingungen (stöchiometrischer Überschuß an Oxidationsmitteln), wie sie im Abgas von Diesel-Motoren vorliegen, Stickoxide zwischenspeichern und bei einer Verringerung des Sauerstoffüberschusses reduzieren können. Hierzu sind die NOx-Speicherkatalysatoren üblicherweise auch edelmetallbeschichtet, insbesondere mit den üblichen Edelmetallbeschichtungen für Dreiwegekatalysatoren. Die Regeneration des mit NOx beladenen Speichermaterials erfolgt dann vorteilhaft bei λ 1 in einer Regenerierphase.The preferred NOx storage materials are characterized in that they are under net oxidizing conditions (stoichiometric excess of oxidizing agents), such as they are present in the exhaust gas of diesel engines, temporarily store nitrogen oxides and at one Reduction of excess oxygen can reduce. For this are the NOx storage catalytic converters usually also coated with precious metals, especially with the usual precious metal coatings for three-way catalysts. The regeneration of the Storage material loaded with NOx then advantageously takes place at λ 1 in one Regeneration phase.
Üblicherweise laufen an den NOx-Speicherkatalysatoren verschiedene Reaktionen nacheinander bis gleichzeitig ab, wobei die wichtigsten ReaktionenDifferent reactions usually run on the NOx storage catalytic converters successively until at the same time, the most important reactions
- - Oxidation des NO im Abgas zur NO₂- Oxidation of the NO in the exhaust gas to NO₂
- - Speicherung des NO₂ als Nitrat- Storage of the NO₂ as nitrate
- - Zersetzung des Nitrats - decomposition of the nitrate
- - Reduktion des zurückgebildeten NO₂ zu Stickstoff und Sauerstoff- Reduction of the NO₂ re-formed to nitrogen and oxygen
sind.are.
Wie oben beschrieben, ist der Verlauf der Reaktionen unter anderem abhängig von der Temperatur des Katalysators, aber auch von der Konzentration der Reaktionspartner am aktiven Zentrum des Katalysators und der Strömungsgeschwindigkeit des Gases.As described above, the course of the reactions depends, among other things, on the Temperature of the catalyst, but also from the concentration of the reactants on active center of the catalyst and the flow rate of the gas.
Mit verschiedenen Faktoren, die miteinander kombinierbar sind, ist es auch mit nur geringem Aufwand möglich, den Abgasabsorber zu optimieren, insbesondere für direkteinspritzende Dieselkraftmaschinen. Die wesentlichen Merkmale sind hierbei:With different factors that can be combined with each other, it is also with only little effort possible to optimize the exhaust gas absorber, especially for direct-injection diesel engines. The main features are:
- - Verringerung der Wandstärke des Trägerkörpers, auf dem die Absorptionsschicht aufgebracht ist auf 160 µm, insbesondere 140 µm;- Reduction of the wall thickness of the support body on which the absorption layer is applied to 160 microns, especially 140 microns;
- - Verwendung von Metallträgern, vorteilhaft mit einer Wandstärke 50 µm, vorzugsweise 40 µm und insbesondere 30 µm; und/oder- Use of metal supports, preferably with a wall thickness of 50 microns, preferably 40 µm and especially 30 µm; and or
- - Heizen des Absorbers auf eine Temperatur oberhalb der Temperatur des Abgasstromes.- Heating the absorber to a temperature above the temperature of the exhaust gas stream.
Es hat sich gezeigt, daß bei der Verwendung dünnwandiger keramischer Träger für die Absorptionsschicht, d. h. insbesondere von Trägerkörpern mit einer Wandstärke 0,14 mm, nicht nur ein schnellerer Temperaturanstieg der Absorptionsschicht möglich ist, sondern auch eine dickere Absorptionsschicht eingesetzt werden kann. Hierdurch wird zweierlei erreicht: zum einen können auch kurze Hochtemperaturphasen zum Regenerieren ausgenutzt werden, da die Speicherschicht schneller die höhere Temperatur annimmt, und zum anderen kann durch Auftragen einer dickeren Absorptionsschicht eine höhere Speicherkapazität erreicht werden, so daß über die längere Speicherfähigkeit des Absorbers beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine eine längere Zeitspanne verstreichen kann, bis der Speicher zu Regenerieren ist, so daß trotz der seltener auftretenden Temperaturspitzen im Abgasstrom von verbrauchsoptimierten Verbrennungskraftmaschinen kein Durchschlagen des Speichers (Erreichen der Sättigungsgrenze) erfolgt. It has been shown that when using thin-walled ceramic supports for the Absorption layer, d. H. in particular of support bodies with a wall thickness of 0.14 mm, not only a faster temperature rise of the absorption layer is possible, but a thicker absorption layer can also be used. This will do two things achieved: on the one hand, short high-temperature phases can be regenerated can be exploited because the storage layer assumes the higher temperature faster, and on the other hand, a thicker absorption layer can be used to apply a higher one Storage capacity can be achieved, so that the longer storage capacity of the Absorbers during the operation of the internal combustion engine for a longer period of time can elapse until the memory is to be regenerated, so that despite the rarer occurring temperature peaks in the exhaust gas flow from consumption-optimized Internal combustion engines no breakthrough of the memory (reaching the Saturation limit).
Insbesondere Absorber mit einem Trägerkörper aus Metallfolie sind geeignet, wobei die Metallfolie vorteilhaft noch als Widerstandsheizung geschaltet werden kann, so daß auch bei niedrigen Abgastemperaturen der Absorber auf die notwendige Regenerationstemperatur durch Leiten eines elektrischen Stromes durch den Metallträgerkörper gebracht werden kann. Außerdem lassen sich bei der Verwendung eines Metallträgerkörpers die Kanäle, die mit der Absorptionsschicht beschichtet sind, unterschiedlich gestalten, so daß beispielsweise eine Verwirbelung (turbulente Strömung) des Abgasstromes in den Kanälen gezielt einstellbar ist.In particular, absorbers with a carrier body made of metal foil are suitable, the Metal foil can advantageously be switched as resistance heating, so that too at low exhaust gas temperatures, the absorber to the necessary Regeneration temperature by passing an electrical current through the Metal support body can be brought. In addition, when using a Metal carrier body the channels that are coated with the absorption layer design differently so that, for example, turbulence (turbulent flow) the exhaust gas flow in the channels can be specifically adjusted.
Für die Erzielung besonders guter Umsätze hat die Absorptionsschicht eine vergrößerte Oberfläche von mindestens 20 m²/g, insbesondere mindestens 40 m²1g. Vorteilhaft hat die Absorptionsschicht vorzugsweise ein Porenvolumen von mindestens 0,2 cm³1g und insbesondere mindestens 0,4 cm³/g, wobei auch eine bimodale Porengrößenverteilung geeignet ist mit Mikroporen und Makroporen. Dies wird beispielsweise durch die Wahl einer bestimmten Partikelgröße für die Bildung der Absorberoberfläche erreicht, wobei auch Mischungen oder bestimmte Verteilungen unterschiedlicher Partikelgrößen geeignet sind.The absorption layer has an enlarged layer to achieve particularly good sales Surface area of at least 20 m² / g, in particular at least 40 m²1g. Has the advantage Absorbent layer preferably a pore volume of at least 0.2 cm³1g and in particular at least 0.4 cm³ / g, with a bimodal pore size distribution is suitable with micropores and macropores. This is done, for example, by choosing one certain particle size for the formation of the absorber surface reached, also Mixtures or certain distributions of different particle sizes are suitable.
Als Absorptionsoberfläche eignet sich insbesondere γ-Aluminiumoxid, das mit einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe der Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, seltenen Erden und/oder Lanthan beladen ist. Auch Kupfer und Mangan sind geeignete Elemente. Die Elemente liegen üblicherweise als Oxid, aber auch als Carbonat oder Nitrat vor, wobei die Speicherwirkung durch Bildung entsprechender Nitrate und Sulfate erzielt wird, die dann unter den entsprechenden Reaktionsbedingungen wieder zu Oxiden oder Carbonaten überführt werden. Hierdurch ist es möglich, NOx und/oder SOx insbesondere aus einem Abgas, das mindestens 1% Sauerstoff enthält, zu absorbieren.Γ-Alumina is particularly suitable as the absorption surface, which is coated with an or several elements from the group of alkali metals, alkaline earth metals, rare earths and / or lanthanum is loaded. Copper and manganese are also suitable elements. The Elements are usually present as an oxide, but also as carbonate or nitrate, the Storage effect is achieved by the formation of appropriate nitrates and sulfates, which then under the appropriate reaction conditions to oxides or carbonates be transferred. This makes it possible to in particular NOx and / or SOx from one Absorb exhaust gas containing at least 1% oxygen.
Wie beschrieben, werden die absorbierten Stoffe insbesondere durch erhöhte Temperaturen und in reduzierender Atmosphäre wieder freigesetzt. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn im Abgas die Sauerstoffkonzentration ermittelt wird, wobei dann die Sauerstoffkonzentration oder eine mit der Sauerstoffkonzentration in bekannter Beziehung stehende Größe zur Steuerung des Absorptions- bzw. Desorptionsvorganges herangezogen werden kann. Entsprechendes gilt auch für die Temperatur des Abgasstroms, wobei entscheidend die Temperatur der Absorptionsschicht ist, die unmittelbar oder mittelbar bestimmt wird. So kann die Temperatur beispielsweise durch Messung der Temperatur des Abgasstroms bzw. des Trägerkörpers gemessen werden; auch eine Temperaturbestimmung über ein Kennfeld der Verbrennungskraftmaschine ist möglich.As described, the absorbed substances are particularly increased Temperatures and released in a reducing atmosphere. For this it is advantageous if the oxygen concentration is determined in the exhaust gas, then the Oxygen concentration or one known to the oxygen concentration standing size for controlling the absorption or desorption process can be used. The same applies to the temperature of the Exhaust gas flow, the decisive factor being the temperature of the absorption layer is determined directly or indirectly. For example, the temperature can be Measurement of the temperature of the exhaust gas flow or the carrier body can be measured; is also a temperature determination via a map of the internal combustion engine possible.
Vorzugsweise werden die Absorptionsschichten in einer Dicke von mindestens 50 µm, insbesondere mindestens 70 µm und besonders vorteilhaft mindestens 90 µm hergestellt (durchschnittliche Schichtdicke eines Querschnitts; Werte gelten für Keramik, bei Metall gelten die halben Werte) wobei sich diese Schichtdicke der Absorptionsschicht über vorzugsweise mindestens 50% und insbesondere mindestens 80% des Absorbers erstreckt. Solche Schichtdicken ermöglichen gegenüber den herkömmlichen Absorbern eine höhere Speicherkapazität und damit die oben beschriebenen längeren Intervalle bis zur Regeneration.The absorption layers are preferably of a thickness of at least 50 μm, in particular at least 70 µm and particularly advantageously at least 90 µm (Average layer thickness of a cross-section; values apply to ceramics and metal apply half the values) whereby this layer thickness of the absorption layer overlaps preferably at least 50% and in particular at least 80% of the absorber extends. Such layer thicknesses enable a compared to conventional absorbers higher storage capacity and thus the longer intervals described above up to Regeneration.
Da für die Freisetzung und Umsetzung des NOx aus dem Speicher und die Freisetzung der Schwefeloxide aus dem Speicher unterschiedliche Temperaturen notwendig sind (beim letzteren höhere), kann außerdem so verfahren werden, daß eine Desorption der Schwefeloxide (die insbesondere als Sulfat vorliegen) in größeren Zeitspannen bzw. bei Bedarf vorgenommen wird, so daß der Speicher nur gelegentlich auf die hohen Temperaturen erhitzt wird, die für eine Desorption der Schwefeloxide notwendig sind. Auch hierdurch wird einer frühzeitigen Alterung des Speichers entgegengewirkt, so daß eine besonders gute Langzeitstabilität des Absorbers erreicht wird.As for the release and implementation of the NOx from the memory and the release of the Sulfur oxides from storage different temperatures are necessary (at the latter higher), can also be operated so that a desorption of the Sulfur oxides (which are present in particular as sulfate) in longer periods or at Need is made so that the memory is only occasionally on the high Temperatures are heated, which are necessary for a desorption of the sulfur oxides. Also this counteracts premature aging of the memory, so that a particularly good long-term stability of the absorber is achieved.
Die mit zur Erfindung gehörende Dieselbrennkraftmaschine mit einer Abgasreinigung enthält vorteilhaft die oben beschriebenen Merkmale.Contains the diesel engine with exhaust gas purification belonging to the invention advantageous the features described above.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und Zeichnungen näher beschrieben.The invention is described below using an exemplary embodiment and drawings described in more detail.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine Dieselbrennkraftmaschine mit Abgasreinigung; und Fig. 1 is a diesel engine with exhaust gas purification; and
Fig. 2 ein NOx-Speicherverhalten mit und ohne Konverter. Fig. 2 shows a NOx storage behavior with and without a converter.
Die in Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine 1 (1,9 l, 4 Zyl., Dieseldirekteinspritzer, 66 kW) hat einen Lufteinlaßkanal 2 und eine Abgasanlage 3. Von der Abgasanlage 3 führt eine Abgasrückführungsleitung 4 zu dem Lufteinlaß 2, mittels der insgesamt eine Reduzierung der NOx-Rohemissionen erfolgt.The internal combustion engine shown in FIG. 1 1 (1.9 l, 4 cyl., Diesel direct injection, 66 kW) has an air intake passage 2 and an exhaust system 3. An exhaust gas recirculation line 4 leads from the exhaust system 3 to the air inlet 2 , by means of which overall a reduction in the raw NOx emissions takes place.
In der Abgasanlage 3 ist motornah ein Konverter 5 angeordnet, der ein Volumen von 15% des Hubraums der Dieselbrennkraftmaschine 1 hat. Der Abstand zwischen dem Abgasauslaß 6 und dem Konverter 5 beträgt ca. 20 cm. Außerdem ist in der Abgasanlage 3 ca. 70 cm nach dem Konverter 5 ein üblicher NOx-Speicherkatalysator 7 angeordnet, nach dem die Abgase ins Freie gelangen.A converter 5 is arranged in the exhaust system 3 close to the engine and has a volume of 15% of the displacement of the diesel internal combustion engine 1 . The distance between the exhaust gas outlet 6 and the converter 5 is approximately 20 cm. In addition, a conventional NOx storage catalytic converter 7 is arranged in the exhaust system 3 about 70 cm after the converter 5 , after which the exhaust gases are released.
Der Konverter 5 hat einen Metallfolienträgerkörper, auf dem ein γ-Aluminiumoxid-washcoat mit einer Platinbeladung von 70 g/ft³ aufgetragen ist. Der NOx-Speicherkatalysator ist aus einem wabenförmigen Keramikträger aufgebaut, auf dem ein γ-Aluminiumoxid-washcoat mit Barium, Lanthan und Natrium aufgebracht ist. Außerdem hat der Speicherkatalysator washcoat eine Platinbeladung von 46 g/ft³.The converter 5 has a metal foil carrier body on which a γ-aluminum oxide washcoat with a platinum loading of 70 g / ft³ is applied. The NOx storage catalytic converter is made up of a honeycomb-shaped ceramic carrier on which a γ-alumina washcoat with barium, lanthanum and sodium is applied. The washcoat storage catalytic converter also has a platinum loading of 46 g / ft³.
In Fig. 2 ist das NOx-Speicherverhalten des NOx-Speicherkatalysators 7 dargestellt, mit und ohne Einsatz des Konverters 5. Das Speichervermögen wurde im MVEG-Test aufgenommen. Hierbei zeigt es sich, daß das NOx-Speicherverhalten des Speicherkatalysators 7 über ca. ²/₃ der Testzeit ohne Einsatz des Konverters 5 leicht höher liegt als mit Einsatz des Konverters, was der NO-Adsorption des NOx-Speicherkatalysators zuzuschreiben ist. Sobald jedoch in dem Test höhere Abgastemperaturen erreicht werden, zeigt der Speicherkatalysator 7 eine Stagnation 8 bei der NOx-Speicherung. Diese Stagnation 8 liegt vermutlich in einer Blockierung der NO₂-Absorption bei verhältnismäßig hohen Raumgeschwindigkeiten durch adsorbiertes NO. Bei einem weiterem Anstieg der NOx-Speicherkatalysatortemperatur und einem weiteren Anstieg der Raumgeschwindigkeit der Abgase kommt es zu einem starken Einbruch des NOx-Speicherverhaltens resultierend in einer Abnahme 9 des gespeicherten NOx. Dies kann vermutlich einer Desorption von NO zugeschrieben werden, das dann bei den hohen Raumgeschwindigkeiten und aufgrund der noch vorliegenden Speicherblockierung durch noch angelagertes NO nicht mehr zu NO₂ oxidiert und eingelagert werden kann. In FIG. 2, the NOx storage performance of the NOx storage catalytic converter 7 is shown, with and without the use of the converter. 5 The storage capacity was recorded in the MVEG test. It shows that the NOx storage behavior of the storage catalytic converter 7 is about ² / ₃ the test time without using the converter 5 is slightly higher than when using the converter, which is due to the NO adsorption of the NOx storage catalytic converter. However, as soon as higher exhaust gas temperatures are reached in the test, the storage catalytic converter 7 shows stagnation 8 during NOx storage. This stagnation 8 is probably a blockage of the NO₂ absorption at relatively high space velocities by adsorbed NO. With a further increase in the NOx storage catalyst temperature and a further increase in the space velocity of the exhaust gases, there is a sharp drop in the NOx storage behavior, resulting in a decrease 9 in the stored NOx. This can presumably be attributed to a desorption of NO, which can then no longer be oxidized to NO₂ and stored due to the high space velocities and due to the still existing storage blockage due to the fact that NO is still attached.
Durch Einsatz des Vorkatalysators 5 erhält man auch bei hohen Abgastemperaturen und hohen Raumgeschwindigkeiten eine Zunahme der NOx-Speicherung.By using the pre-catalyst 5 , an increase in NOx storage is obtained even at high exhaust gas temperatures and high space velocities.
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