DE29925003U1 - Vorrichtung zur Abscheidung und Oxidation von Partikeln aus dem Abgas von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Vorrichtung zur Abscheidung und Oxidation von Partikeln aus dem Abgas von Brennkraftmaschinen Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur Abscheidung und Oxidation von Partikeln aus dem Abgas von Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem Oxidationskatalysator zur Erzeugung von NO2 und einem in Reihe nachgeschalteten Partikelabscheider, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (9) unter Ausnutzung der Thermophorese an mittels eines Kühlmediums gekühlten Oberflächen (6) des Partikelabscheiders (3) abscheidbar sind, oder dass die Partikel (9) unter Ausnutzung der Konvektion an strukturierten Oberflächen des Partikelabscheiders (3) abscheidbar sind, oder dass die Partikel (9) unter Ausnutzung der Diffusion dadurch abscheidbar sind, dass Totzonen in der Strömung geschaffen sind oder der kleinste freie Querschnitt der Strömungskanäle des Partikelabscheiders (3) zwischen 25 μm2 und 250 μm2 liegt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung nach dem Gattungsbegriff des Schutzanspruches 1.
  • Aus US-PS 4 902 487 ist ein Verfahren zur Abscheidung von Kohlenstoff, bzw. kondensierten Kohlenwasserstoffen aus dem Abgas von Brennkraftmaschinen und ihre nachfolgende Oxidation bekannt. Das NO haltige Abgas der Brennkraftmaschine wird zunächst an einem platinbeschichteten Oxidationskatalysator so behandelt, daß das NO unter Zuhilfenahme des im Abgas enthaltenen Restsauerstoffes zu NO2 aufoxidiert wird. Das nun mit NO2 angereicherte Abgas wird stromab über einen Partikelabscheider geleitet. Der Partikelabscheider ist als Filter ausgebildet, in dem die Partikel hängenbleiben und mit Hilfe des im Oxidationskatalysators gebildeten NO2 aufoxidiert werden. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist die mögliche Verstopfung des Partikelfilters. Durch den daraus resultierenden erhöhten Gegendruck sinkt die Leistung und der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß Feinstpartikel von Ruß, wie sie durch Hochdruckeinspritzung mit System "Common Rail" entstehen, den Partikelfilter teilweise passieren können.
  • Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Abscheidung von Feinstpartikeln zu entwickeln, welche leistungs- und verbrauchsneutral eingesetzt werden kann.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Schutzanspruches 1.
  • Bei filterloser Abscheidung wird eine Verstopfung des Filters vermieden.
  • Vorteilhafte Merkmale zur Gestaltung der filterlosen Abscheidung sind den Ansprüchen 2 bis 12 zu entnehmen.
  • Durch Thermophorese, bzw. Konvektion, oder Diffusion, oder durch eine Kombination dieser drei Effekte entfallen Druckverluste weitgehend, welche die Wellenleistung und/oder den Verbrauch an Kraftstoff erhöhen.
  • Vorteilhafte Vorrichtungen zur Kühlung bei Thermophorese sind in den Ansprüchen 2, 3 und 4 enthalten.
  • Weitere Vorrichtungen zur kombinierten NO2 Erzeugung und Partikelabscheidung gehen aus den Ansprüchen 5 und 8 hervor.
  • Nach Anspruch 13 kann eine stickoxidreduzierende Vorrichtung nachgeschaltet werden, um NOx Schlupf zu unterbinden.
  • Besonders vorteilhaft ist die Einbindung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in ein Abgasrückführungssystem (AGR) gemäß den Ansprüchen 6 bis 8. Die erforderlichen Kühler für das rückzuführende Abgas können in die Partikelabscheidung integriert werden.
  • Ausführungsbeispiele zur Vorrichtung und ihre Funktionsweise sind nachfolgend an Hand von Zeichnungen dargestellt. Es zeigt:
  • 1 ein Schema zur Erzeugung von NO2 und eines stromab nachgeschalteten Partikelabscheider
  • 2 eine Erläuterung des Prinzips der Thermophorese
  • 3 die NO2 Konzentration und Temperatur an einer gekühlten und katalytisch beschichteten Oberfläche bei integriertem Oxidationskatalysator und Partikelabscheider
  • 4 eine Erläuterung der chemischen Umsetzungen an der Oberfläche des Partikelabscheiders
  • 5 einen Oxidationskatalysator und Partikelabscheider mit gewelltem Abgasrohr als Kühler
  • 6 einen Oxidationskatalysator und Partikelabscheider mit einen Rohrbündelwärmetauscher
  • 7 – 12 strukturierte Oberflächen zur Abscheidung von Partikeln nach dem Prinzip der Konvektion
  • 13, 14 eine verbesserte Ausführung der Struktur zum Abscheiden von Feinstpartikeln
  • 15 eine Integration der Feinstpartikelabscheidung in eine Abgasrückführung (AGR)
  • Der allgemeine Erfindungsgedanke besteht darin, die Partikel, besonders Feinstpartikel filterlos abzuscheiden, so daß keine Verstopfung des Partikelabscheiders 3 mit den nachteiligen Folgen eintreten kann.
  • 1 zeigt schematisch die Abscheidung von Feinstpartikeln mittels Thermophorese und deren Oxidation. Vom Abgasrohr 1 wird Abgas mit einem Anteil von NO und einem Restsauerstoffgehalt zunächst durch einen Oxidationskatalysator 2 geleitet. Dieser ist mit Platin beschichtet und oxidiert NO mit Hilfe des Restsauerstoffgehalts zu NO2 auf. Stromab ist diesem Oxidationskatalysator 2 ein Partikelabscheider 3 nachgeschaltet, in dem Feinstpartikel, bestehend aus Kohlenstoff oder kondensierten Kohlenwasserstoffen, filterlos abgeschieden und an Oberflächen mit NO2 aufoxidiert werden, wobei die Oberflächen katalytisch beschichtet sein können. Die Oberflächen können durch eine Kühlung 4 Wärme nach außen abführen. Nachteil der üblichen Partikelfilter ist eine mögliche Verstopfung, die den Gegendruck erhöht und zu Leistungsminderung und erhöhtem Treibstoffverbrauch führt. Beim erfindungsgemäßen Partikelabscheider 3 werden die Partikel durch Oxidation beseitigt, eine Verstopfung ist ausgeschlossen.
  • Erfindungsgemäß werden zur filterlosen Abscheidung die Effekte der Thermophorese, der Konvektion oder der Diffusion einzeln, oder auch in Kombination untereinander genutzt.
  • Der Effekt der Thermophorese soll an Hand der 2 bis 4 kurz erläutert werden.
  • In 2 strömt heißes Gas, symbolisiert durch Pfeil 5, entlang einer kalten Oberfläche 6. An der kalten Oberfläche 6 bildet sich eine Grenzschicht 7 aus, in der die Temperatur T entsprechend der Kurve 8 vom weiter entfernten heißen Gas auf die Temperatur To der kalten Oberfläche 6 abfällt. Die Gasmoleküle bewegen sich auf Grund ihrer niedrigeren Temperatur in der Grenzschicht 7 langsamer als im heißen Gas. Treffen nun Gasmoleküle auf ein Partikel 9, so übertragen sie einen Impuls, wobei der Impuls der Gasteilchen in der Grenzschicht 7 niedriger ist als der außerhalb der Grenzschicht. Daraus resultiert eine asymmetrische Impulsübertragung auf das Partikel 9, so daß dieses Richtung Oberfläche 6 gedrückt wird, bis es auf diese trifft und sich dort wegen der auftretenden Van-der-Walls-Kräfte anlagert. Der Einfluß der Thermophorese nimmt mit sinkender Partikelgröße und -masse zu, Partikel über 700 nm lassen sich deshalb kaum abscheiden.
  • Durch den Einsatz neuer Einspritzsysteme, wie z.B. Common Rail oder Pumpe-Düse, kommt es neben dem positiven Effekt der Verminderung der Gesamtpartikelmasse leider auch zur Erhöhung der Anzahl kleiner Partikel. Da diese Partikel deutlich kleiner als 700 nm sind, kann das thermophoretische Verfahren vorteilhaft zur Partikelreduzierung verwendet werden.
  • Da die Gleichgewichtskonzentration von NO2 bei hohen Temperaturen absinkt, geht der Anteil des NO2 aus rein thermodynamischen Gründen zurück und ist auch durch Katalysatoren nicht mehr anzuheben. Wird im thermodynamisch kontrollierten Bereich das Gas abgekühlt, so lassen sich also höhere NO2-Anteile erzielen. Hier bietet es sich an, die Bildung von NO2 und die Partikelabscheidung entsprechend dem Vorrichtungsanspruch 18 funktionell in ein System zu integrieren. Der Oxidationskatalysator 2 und der Partikelabscheider 3 (1) werden vereinigt, so daß auch die für die Bildung von NO2 wirksame Oberfläche durch eine Kühlung 4 in ihrer Temperatur abgesenkt werden kann. Hierbei wird der Kühler mit einem katalytisch aktiven Washcoat, der für die NO-Oxidation zu NO2 aktiviert ist, beschichtet, so daß nach 3 zum einen in Wandnähe höhere Gleichgewichtskonzentrationen (Kurve 10) an NO2 herrschen und sich gleichzeitig die Partikel 9 durch Thermophorese an der Wand 6 anlagern. Somit steht an der partikelabscheidenden Oberfläche 6, an der NO2 benötigt wird, eine besonders hohe NO2-Konzentration für die Verbrennung der Partikel 9 zur Verfügung.
  • 4 erläutert die chemischen Umsetzungsvorgänge an der Oberfläche 6, welche mit Platin oder platinverwandten Metallen als Katalysator beschichtet sein kann. Ein Partikel 9 ist durch Thermophorese, Konvektion oder Diffusion in Kontakt mit der Oberfläche 6 geraten und setzt sich nun mit dem im Abgas enthaltenen NO2 zu CO, CO2, N2, NO um.
  • 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Abscheidung von Feinstpartikeln mit Thermophorese. Dem Oxidationskatalysator 2 ist der Partikelabscheider 3 nachgeschaltet, der zur Kühlung mit Wellen 11 versehen ist, so daß die Oberfläche 6 deutlich kühler ist als der Abgasstrom. Dadurch scheiden sich Partikel an der Oberfläche 6 ab und werden dort katalytisch mit dem im Oxidationskatalysator 2 erzeugten NO2 oxidiert. Ein derart modifiziertes Abgasrohr kann folglich auch als Partikelabscheider dienen.
  • Die Kühlung kann nach 6 auch in einem Röhrenbündelwärmetauscher 12 oder in einem Plattenwärmetauscher erfolgen, der gleichzeitig den Partikelabscheider 3 bildet. Das für die Oxidation von Ruß benötigte NO2 wird wiederum im vorgeschalteten Oxidationskatalysator 2 gebildet.
  • Wird der Partikelabscheider 3 nach dem Prinzip der Konvektion ausgelegt, so weist seine Oberfläche nach den 7 bis 12 Strukturen 13 auf, so daß die Partikel ständig zu Oberflächenkontakten gezwungen werden und sich an den Oberflächen der Strukturen 13 abscheiden und dort katalytisch mit Hilfe des NO2 aufoxidiert werden.
  • Eine nochmals verbesserte Struktur 13 des Partikelabscheiders 3 stellt die Ausführung nach 13 dar. Durch ständige Umlenkung wird der Wandkontakt besonders innig, so daß ein hoher Abscheidegrad für Feinstpartikel erzielt wird.
  • Ein weiterer Mechanismus zur Partikelabscheidung ist die Diffusion. Unter Diffusion versteht man den Partikeltransport auf Grund von Konzentrationsunterschieden, wobei der Partikeltransport, analog zur Brown'schen Molekularbewegung, auf der statistischen Brown'schen Partikelbewegung beruht. Durch Abscheidung von Partikeln an einer Oberfläche wird die Partikelkonzentration in der Gasphase an dieser Stelle Null, so daß sich ein Konzentrationsgefälle zwischen Oberfläche und umgebendem Gas ausbildet. Um die Diffusionsabscheidung zu verbessern, werden nach 14 Totzonen 14 in der Strömung 5 geschaffen, wie sie z.B. im Windschatten von Leitblechen 15 entstehen. Dort geht die Strömungsgeschwindigkeit gegen Null, um eine längere Verweil zeit für die relativ langsam ablaufende Diffusion zu ermöglichen. Zudem kann die Diffusion durch verkürzte Diffusionswege verbessert werden, indem man den Querschnitt der Strömungskanäle verringert. So haben sich Querschnitte zwischen 25 μm2 und 250 μm2 als brauchbar erwiesen. Die Diffusion ist vor allem ein brauchbarer Weg Partikel < 30 nm abzuscheiden.
  • Zur Reduzierung des Stickoxidausstoßes bedient man sich der Abgasrückführung (AGR). Bei dieser wird ein Teil des Abgases in das Ansaugsystem zurückgeführt. Vor der Rückführung muß das Abgas jedoch einen Kühler durchlaufen. Dieser Kühler bietet eine Möglichkeit das erfindungsgemäße Verfahren in die AGR zu integrieren.
  • 15 zeigt diese besonders vorteilhafte Integration in die AGR.
  • Jeder Flut des zweiflutig ausgeführten Abgassammlers 16 eines aufgeladenen Dieselmotors wird vor der Turbine 17 ein Teilstrom entnommen. Dieser wird über die Oxidationskatalysatoren 2a, 2b geleitet, an denen NO zu NO2 oxidiert wird. Anschließend wird das Abgas über je einen Kühler 17a, 17b geleitet, die das heiße Abgas auf ca. 40°C abkühlen. Die Kühler 17a, 17b können mit einer platinhaltigen Beschichtung versehen werden, um wie schon bei 3 erwähnt, die NO2-Konzentration in Wandnähe anzuheben. Anschließend werden die Teilströme in der Ladeluftleitung 18 zusammengeführt und ins Saugrohr 19 geleitet. Sogenannte Flatterventile 20a, 20b sollen Druckschwingungen im Abgastrakt zur Überwindung der Druckdifferenz zwischen Abgasdruck und Ladeluftdruck ausnützen und Rückströmungen verhindern. Durch die kontinuierliche Oxidation der an den Kühlern 17a, 17b abgeschiedenen Partikel wird ein Versotten der Kühler und damit ein Rückgang der Kühlleistung verhindert. Zudem werden nachgeschaltete Komponenten, wie Flatterventile, Saugrohr, Einlaßventile frei von Partikelablagerungen gehalten und so ihre Lebensdauer verlängert.
  • Eine weitere Möglichkeit zur Ausbildung einer Temperaturdifferenz zwischen Oberfläche und Abgasstrom ist das Eindüsen einer wässrigen Lösung in den heißen Gasstrom vor dem thermophoretischen Partikelabscheider 3, der in die Kühler 17a, 17b entsprechend 3 integriert sein kann. Trifft diese Lösung auf die Oberfläche, verdampft das Wasser, so daß durch die auftretende Verdampfungskühlung, die Oberflächentemperatur abgesenkt wird.
  • Neben der Oxidation von NO und NO2 an platinhaltigen Katalysatoren kann NO2 auch auf dem Weg der Plasmaentladung, oder durch Zugabe starker Oxidationsmittel, beispielsweise Wasserstoffperoxid oder Ozon erfolgen.
  • Die nachfolgend beschriebenen Untersuchungen an Motorenprüfständen sollen das beschriebene Verfahren und die Ausführungsbeispiele näher erläutern:
    Zur Abgaserzeugung diente ein 12 1-Sechszylinder-Dieselmotor, Typ MAN 2866 LF20, 400 PS in EURO II Ausführung. Um die Partikelemissionen zukünftiger Motoren zu simulieren, wurde der Einspritzbeginn nach früh verstellt, wodurch die NOx-Emissionen auf 10 g NOx/kWh anstiegen. Die Partikelemissionen betrugen 0,11 g Partikel/kWh, der maximale Abgasmassenstrom 1800 kg/h. Die Abgastemperatuen betrugen 230°C – 480°C. Das Gesamtvolumen der Systeme wurde auf maximal 24 l beschränkt, um die Einbaufähigkeit in handelsübliche Lkw's zu gewährleisten.
  • Ausführungsbeispiel 1 (Abscheidung durch Thermophorese)
  • Das Abgas wurde zuerst über einen platinhaltigen Katalysator, Volumen 4 l und anschließend durch einen wassergekühlten Rohrbündelwärmetauscher, Wärmetauscherfläche 20 m2 geleitet (vgl. 1). Die mittlere Kühlmitteltemperatur betrug 65°C.
  • Ausführungsbeispiel 2 (Abscheidung durch Konvention)
  • Aufbau wie Ausführungsbeispiel 1, der Rohrbündelwärmetauscher wurde jedoch durch einen unbeschichteten metallischen Katalysatorträger mit gewellter Oberfläche (W. Held et al., SAE-Paper series, 940932) ersetzt. Das Trägervolumen betrug 201.
  • Ausführungsbeispiel 3 (Abscheidung durch Diffusion)
  • Aufbau wie Ausführungsbeispiel 1, der Rohrbündelwärmetauscher wurde jedoch durch einen unbeschichteten metallischen Katalysatorträger mit extrem engen Strömungskanälen (900 cpsi) ersetzt ( WO 91/16970 ). Das Trägervolumen betrug 201.
  • Ausführungsbeispiel 4 (Kombination von Konventionsabscheidung und NO2-Erzeugung)
  • Partikelabscheidung und NO-Oxidation wurden zusammengefaßt, indem der in Ausführungsbeispiel 2 verwendete metallische Katalysatorträger mit einen platinhaltigen Washcoat versehen wurde.
  • Ausführungsbeispiel 5 (Kombination von thermophoretischer Abscheidung und NO2-Erzeugung)
  • Der im Ausführungsbeispiel 1 verwendete wassergekühlte Rohrbündelwärmetauscher wurde mit einem platinhaltigen Washcoat beschichtet, um an den Rohrwandungen gleichzeitig hohe Partikel- und NO2-Konzentrationen zu erzeugen.
  • Zum Vergleich wurde das in US 4,902,487 beschriebene filternde System vermessen, wobei das Katalysatorvolumen 41, das Filtervolumen 451 betrug.
  • Als Anhaltspunkt für übliche Abgasgegendrücke von Abgasanlagen wurde in die nachfolgende Tabelle eine Standardabgasanlage mit aufgenommen.
    Ausführungsbeispiel Partikelreduktion (%) Abgasgegendruck (mbar)
    1 45 100
    2 35 60
    3 30 90
    4 40 50
    5 55 90
    US 4,902,487 80 300
    Standardabgasanlage 0 60
    Tabelle 1: Vergleich der Partikelreduktion und Abgasgegendrücke der einzelnen Verfahren
  • Wie der Tabelle zu entnehmen ist, erreicht das filternde Verfahren US 4,902,487 zwar die größte Partikelreduktion. Es muß jedoch berücksichtigt werden, daß das filternde System fast doppelt so groß ist und zudem dessen Abgasgegendruck deutlich über denen der Ausführungsbeispiele lag.

Claims (13)

  1. Vorrichtung zur Abscheidung und Oxidation von Partikeln aus dem Abgas von Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem Oxidationskatalysator zur Erzeugung von NO2 und einem in Reihe nachgeschalteten Partikelabscheider, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (9) unter Ausnutzung der Thermophorese an mittels eines Kühlmediums gekühlten Oberflächen (6) des Partikelabscheiders (3) abscheidbar sind, oder dass die Partikel (9) unter Ausnutzung der Konvektion an strukturierten Oberflächen des Partikelabscheiders (3) abscheidbar sind, oder dass die Partikel (9) unter Ausnutzung der Diffusion dadurch abscheidbar sind, dass Totzonen in der Strömung geschaffen sind oder der kleinste freie Querschnitt der Strömungskanäle des Partikelabscheiders (3) zwischen 25 μm2 und 250 μm2 liegt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen (6) als gekühlte Platten eines Plattenwärmetauschers als kalte Oberflächen ausgebildet sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen (6) als gekühlte Rohre eines Rohrbündelwärmetauschers (12) ausgebildet sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Partikelabscheidung ein metallischer Katalysatorträger gekühlt wird.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationskatalysator (2) und der Partikelabscheider (3) zu einer funktionellen Einheit zusammengefaßt sind, derart, dass die katalytisch beschichteten Oberflächen (6) sowohl der Oxidation von NO zu NO2, als auch der Abscheidung und Oxidation der Partikel (9) dienen.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationskatalysator (2) und der Partikelabscheider (3) in ein Abgasrückführsystem (AGR) integriert sind, derart, dass der stromab dem wenigstens einen Oxidationskatalysator (2a, 2b) nachgeschaltete wenigstens eine Kühler (17a, 17b) als thermophoretisch arbeitender Partikelabscheider (3) fungiert.
  7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem wenigstens einen Oxidationskatalysator (2a, 2b) und dem wenigstens einen als Partikelabscheider (3) fungierenden Kühler (17a, 17b) eine wässrige Lösung eindüsbar ist, welche durch Verdunstung eine Abkühlung der Kühler-Oberfläche und damit eine zusätzliche thermophoretische Wirkung erbringt.
  8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6, 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch katalytische Beschichtung des wenigstens einen Kühlers (17a, 17b) der Oxidationskatalysator (2) und der Partikelabscheider (3) zu einer funktionellen Einheit verbunden sind.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Abgasrohres durch Strukturierung, wie z.B. Rippen, Noppen oder gewellte Strukturen, und/oder durch Aufteilung in mehrere Abgasrohre vergrößert ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der Strömung durch Einbauten und/oder strukturierte Oberflächen ständig änderbar ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung in den Strömungskanälen des Partikelabscheiders (3) durch Leitvorrichtungen oder spezielle Formgebung der Kanäle in Rotation versetzbar ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Diffusionsabscheidung wirksamen Totzonen (14) im Windschatten von Leitblechen (15) gebildet sind.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Partikelabscheider (3) eine stickoxidreduzierende Vorrichtung nachgeschaltet ist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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