DE3608292A1 - Arrangement for vehicles, especially motor vehicles - Google Patents
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Abstract
Description
Anordnung für Fahrzeuge, insbesondere Arrangement for vehicles, in particular
Kraftfahrzeuge Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung für Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Motor vehicles The invention relates to an arrangement for Vehicles, in particular motor vehicles, according to the preamble of the patent claim 1.
Um optimale Abgaswerte bei Fahrzeugen mit gemischverdichtenden Brennkraftmaschinen (Otto-Motoren) zu erzielen, sind Anlagen bekannt, bei denen ein im Abgassystem angeordneter einen Multifunktionskatalysator enthaltender Konverter mit einem geregelten Gemischbildungssystem kombiniert wird, wobei als Regelgröße für die Gemischregelung die Meßwerte einer den Sauerstoffgehalt des Abgases erfassenden Lambda-Sonde herangezogen werden. Ein derartiges System bedeutet jedoch einen erheblichen Aufwand und läßt sich nicht ohne weiteres bei bereits in Betrieb befindlichen Fahrzeugen einsetzen.In order to achieve optimal exhaust gas values in vehicles with mixture-compressing internal combustion engines (Otto engines) to achieve, systems are known in which a arranged in the exhaust system a converter containing a multifunctional catalyst with a regulated mixture formation system is combined, with the measured values of a the oxygen content of the exhaust gas can be used. A However, such a system means a considerable effort and can not can easily be used on vehicles that are already in operation.
Als Nachrüstlösung für solche bereits im Betrieb befindliche Fahrzeuge ist daher eine Ausführung bekannt geworden, bei der unter Verzicht auf die Lambda-Sonde und die aufwendige Gemischregelung lediglich der Konverter mit dem Multifunktionskatalysator im Abgassystem eingeschaltet wird. Diese Katalysatoren, die üblicherweise aus einem mit einer Edelmetallbeschichtung versehenen Trägerkörper bestehen, setzen aber nur in einem sehr engen Bereich um das stöchiometrische Kraftstoff- Luft-Verhältnis von X = 1 die drei aus Luftreinerhaltungsgründen limitierten Abgasschadstoffe, nämlich Kohlenmonoxid CO, Kohlenwasserstoffe HC und Stickoxide NOx, simultan um. Bei Verbrennungsabgasen aus fettem Gemisch ( t < 1) können sie dagegen im wesentlichen nur die Stickoxide und bei den Abgasen aus magerem Gemisch ( Ar > 1) nur Kohlenmonoxide und Kohlenwasserstoffe verringern. Da eine mit einem solchen Multifunktaonskatalysãtor versehene n#rennkiaü###aschine tei der genannten Nachrüstlösung ohne eine Gemischregelung betrieben wird, ist das Luftverhältnis und damit auch die Konversionsrate für die einzelnen Abgasbestandteile eine Funktion der zufälligen Betriebsweise des Fahrzeugs. Zu erwarten ist daher eine Konversionsrate im Bereich zwischen lediglich 30 und 50 %.As a retrofit solution for such vehicles that are already in operation, a design has become known in which only the converter with the multifunction catalytic converter in the exhaust system is switched on, dispensing with the lambda probe and the complex mixture control. These catalytic converters, which usually consist of a carrier body provided with a noble metal coating, only set the three exhaust gas pollutants, which are limited for reasons of air pollution, in a very narrow range around the stoichiometric fuel-air ratio of X = 1, namely carbon monoxide CO, hydrocarbons HC and nitrogen oxides NOx , simultaneously at. In the case of combustion exhaust gases from a rich mixture (t <1), on the other hand, they can essentially only reduce nitrogen oxides and in the case of exhaust gases from a lean mixture (Ar> 1) only carbon monoxides and hydrocarbons. There one with such a Multifunctional catalyst equipped n # rennkiaü ### aschine part of the retrofit solution mentioned is operated without a mixture control, the air ratio and thus also the conversion rate for the individual exhaust gas components is a function of the random operating mode of the vehicle. A conversion rate in the range between only 30 and 50% can therefore be expected.
Neben dieser relativ niedrigen Konversionsrate liegt ein weiterer Nachteil dieses bekannten Systems darin, daß die Multifunktionskatalysatoren bei Gemischverhältnissen t < 1 einen Teil der Stickoxide nicht direkt zu Stickstoff, sondern zu Ammoniak (NH3) reduzieren, wodurch zumindest eine Geruchsbelästigung auftreten kann.In addition to this relatively low conversion rate, there is another one Disadvantage of this known system is that the multifunctional catalysts Mixture ratios t <1 a part of the nitrogen oxides not directly to nitrogen, but reduce to ammonia (NH3), whereby at least an odor nuisance can occur.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine Anordnung der im Oberbegriff genannten Art zu schaffen, bei der eine Verbesserung der Schadstoffemissionen, insbesondere bei den Stickoxiden, und gleichzeitig eine Vermeidung der Abgabe von Ammoniak erreicht wird.The object on which the invention is based is therefore to provide a To create an arrangement of the type mentioned in the preamble, in which an improvement pollutant emissions, especially nitrogen oxides, and at the same time a Avoidance of the release of ammonia is achieved.
Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale erzielt. Der erfindungsgemäß in dem zweiten Konverter enthaltene Katalysator entspricht dabei im Prinzip den für die Stickoxidreduktion der Abgase von Kraftwerk- und sonstigen Industrieanlagen verwendeten und entwickelten Katalysatoren. Solche Katalysatoren, die beispielsweise aus einem Trägerkörper mit einer Beschichtung aus einem Oxid eines Nichtedelmetalls, wie z.B. Titan, Vanadium, Cerium, Kupfer, Kobalt, Wolfram, Mangan, Molybdän, Eisen, Chrom, Niob, aus Aktivkoks oder aus Zeolithen bestehen können, haben die Eigenschaft, Stickoxide bei netto oxydierenden Bedingungen, zum Beispiel in Verbrennungsabgasen aus magerem Motorbetrieb, unter Verwendung von Ammoniak als Reduktionsmittel zu reduzieren. Durch die erfindungsgemäße Heranziehung eines solchen zweiten Konverters wird also gleichzeitig die aus dem Motor stammende Stickoxidemission und die vom ersten Konverter herrührende Ammoniakabgabe gesenkt. Dabei liegen die Arbeitstemperaturen je nach verwendetem Katalysator zwischen etwa 150 und 5000C mit einem Optimum zwischen 250 und 3500 C, somit in einem Bereich, der bei Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen leicht erreicht und, gegebenenfalls unter Heranziehung einer Sekundärluftzuführung, eingehalten werden kann. Dabei wäre es zweckmäßig, wenn der zweite Konverter Mittel zur Speicherung von mit dem Abgas mitgeführtem Ammoniak aufweist. Während Zeolith- Katalysatoren, aber auch Aktivkokskatalysatoren, durch ihre von Hause aus gegebene Struktur eine erhebliche Speicherfähigkeit für Ammoniak besitzen, kann bei anderen Katalysatorarten diese Eigenschaft durch eine auf die Struktur sich auswirkende entsprechende Werkstoffwahl bzw. Dotierung des Katalysatorträgers oder -zwischenträgers gezüchtet werden.The solution to this problem is achieved by the features mentioned in the characterizing part of claim 1. The catalyst contained in the second converter according to the invention corresponds in principle to the catalysts used and developed for the nitrogen oxide reduction in the exhaust gases from power stations and other industrial systems. Such catalysts, which for example consist of a support body with a coating of an oxide of a base metal, such as titanium, vanadium, cerium, copper, cobalt, tungsten, manganese, molybdenum, iron, chromium, niobium, activated coke or zeolites, have the property of reducing nitrogen oxides under net oxidizing conditions, for example in combustion exhaust gases from lean engine operation, using ammonia as a reducing agent. By using such a second converter according to the invention, the nitrogen oxide emission originating from the engine and the ammonia emission originating from the first converter are reduced at the same time. Depending on the catalyst used, the working temperatures are between about 150 and 5000C with an optimum between 250 and 3500C, thus in a range that can easily be reached in exhaust systems of internal combustion engines and, if necessary, can be maintained using a secondary air supply. It would be useful if the second converter has means for storing ammonia carried along with the exhaust gas. While zeolite Catalysts, but also activated coke catalysts, have a considerable storage capacity for ammonia due to their inherent structure, this property can be cultivated in other types of catalyst by a corresponding choice of material or doping of the catalyst carrier or intermediate carrier that has an effect on the structure.
In der Zeichnung ist anhand eines schematichen Schaltbildes einer Antriebsanordnung für ein Kraftfahrzeug ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das im folgenden näher erläutet wird. In der Zeichnung ist mit 1 eine gemischverdichtende Brennkraftmaschine (Otto-Motor) bezeichnet, die in ihrer Ansaugleitung 3 einen herkömmlichen ungeregelten Gemischbildner 2 aufweist. Dieser Gemischbildner kann dabei als Vergaser, aber auch als mechanische oder elektrische Einspritzeinrichtung ausgeführt sein, wobei, wie dies bei heutigen Anlagen ohne Katalysator üblich ist, eine verbrauchsoptimale Abstimmung bei leichtem Luftüberschuß im größten Teil des Kennfeldes und mit fetten Anteilen lediglich bei Leerlauf, Vollast, in Beschleunigungs-und Schubphasen sowie bei kaltem Motor vorgesehen ist.In the drawing is based on a schematic circuit diagram of a Drive arrangement for a motor vehicle shows an embodiment of the invention, which is explained in more detail below. In the drawing, 1 is a mixture-compressing one Internal combustion engine (Otto engine) referred to in its intake line 3 a conventional Has unregulated mixture former 2. This mixture generator can be used as a carburetor, but also be designed as a mechanical or electrical injection device, whereby, as is usual in today's systems without a catalytic converter, a consumption-optimized one Adjustment with a slight excess of air in most of the map and with rich Shares only when idling, at full load, in acceleration and overrun phases as well provided when the engine is cold.
Zur Beseitigung der in den Abgasen der Brennkraftmaschine 1 enthaltenen Schadstoffe ist in der Abgasleitung 4 ein erster Konverter 5 vorgesehen, der einen sogenannten Multifunktionskatalysator aufweist und üblicherweise aus einem mit einer Edelmetallbeschichtung auf einer Zwischenschicht versehenen Trägerkörper besteht. Der Katalysator dieses ersten Konverters 5 setzt bei dem stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Verhältnis (# = 1) alle drei limitierten Abgasschadstoffe simultan um, während er aus den Abgasen eines fetten Verbrennungsgemischs mit ; < 1 im wesentlichen nur die Stickoxide und aus den Abgasen eines mageren Verbrennungsgemischs mit > 1 nur die Kohlenmonoxide und die Kohlenwasserstoffe umsetzt.To eliminate the contained in the exhaust gases of the internal combustion engine 1 Pollutants is provided in the exhaust pipe 4, a first converter 5, the one Has so-called multifunctional catalyst and usually from a with a There is noble metal coating on a carrier body provided with an intermediate layer. The catalyst of this first converter 5 starts at the stoichiometric fuel-air ratio (# = 1) all three limited exhaust gas pollutants at the same time while getting out of the exhaust gases a rich combustion mixture with; <1 essentially only the nitrogen oxides and from the exhaust gases of a lean combustion mixture with> 1 only the carbon monoxides and converts the hydrocarbons.
Diesem ersten Konverter 5 ist in der Abgasleitung 4 ein zweiter Konverter 6 nachgeschaltet, dessen Katalysator die Eigenschaft besitzen soll, Stickoxide in oxydierender Atmosphäre unter Verwendung von Ammoniak als Reduktionsmittel zu reduzieren. Solche Katalysatoren sind im Prinzip aus Stickoxid-Reduktionsanlagen von Kraftwerken und sonstigen Industrieanlagen bekannt und können zum Beispiel aus Zeolithen, aus Aktivkoks oder aus einem mit einer Nichtmetall-Oxid-Beschichtung versehenen Trägerkörper bestehen, wobei das Nichtedelmetall aus Titan, Vanadium, Cerium, Kupfer, Kobalt, Wolfram, Mangan, Molybdän, Eisen, Chrom oder Niob besteht. Insbesondere die aus Zeolithen oder Aktivkoks bestehenden Katalysatoren besitzen aufgrund ihrer inneren Struktur die vorteilhafte Eigenschaft, das als Reduktionsmittel verwendete und vom ersten Konverter abgegebene Ammoniak zu speichern.This first converter 5 is a second converter in the exhaust pipe 4 6 downstream, the catalyst of which should have the property of converting nitrogen oxides into using ammonia as a reducing agent. Such catalysts are in principle from nitrogen oxide reduction systems in power plants and other industrial plants and can be made from zeolites, for example Activated coke or from a carrier body provided with a non-metal oxide coating exist, where the base metal consists of titanium, vanadium, cerium, Copper, cobalt, tungsten, manganese, molybdenum, iron, chromium or niobium. In particular the catalysts consisting of zeolites or activated coke have due to their internal structure has the beneficial property that used as a reducing agent and store ammonia discharged from the first converter.
Wird ein Katalysator aus einem Nichtedelmetalloxyd verwendet, muß ein derartiges Ammoniak-Speichervermögen, beispielsweise durch Züchtigung einer entsprechenden Struktur des Trägerkörpers oder der auf diesem angebrachten Zwischenträgerschicht herbeigeführt werden. Die Ammoniakspeicherung ist deshalb von besonderer Wichtigkeit, weil auf diese Weise das während der Umsetzung der aus der fetten Verbrennung herrührenden Verbrennungsgase im ersten Konverter 5 erzeugte und im zweiten Konverter 6 gespeicherte Ammoniak bei anschließenden Betriebszuständen mit Verbrennung magerer Gemische für die dann notwendige und auch mögliche Stickoxidreduzierung in dem zweiten Konverter 6 herangezogen werden kann.If a catalyst made from a base metal oxide is used, must Such an ammonia storage capacity, for example by cultivating a corresponding structure of the carrier body or the intermediate carrier layer attached to it be brought about. Ammonia storage is therefore of particular importance because in this way that during the implementation of the resulting from the rich combustion Combustion gases generated in the first converter 5 and stored in the second converter 6 Ammonia in subsequent operating states with combustion of lean mixtures for the then necessary and also possible nitrogen oxide reduction in the second converter 6 can be used.
Um den Sauerstoffanteil im Abgas für die Reduzierung in dem zweiten Konverter 6 in optimalen Bereichen von z.B. 4 bis 5 % zu halten, kann zwischen dem ersten Konverter 5 und dem zweiten Konverter 6 eine in der Zeichnung mit 7 angedeutete Sekundärluftzuführung, beispielsweise in Form einer selbsttätigen Luftansaugung, vorgesehen sein. Diese Sekundärluftzuführung kann gleichzeitig zur Abgaskühlung herangezogen werden, um in dem zweiten Konverter eine optimale Betriebstemperatur im Bereich zwischen 250 und 3500 C einhalten zu können.In order to reduce the oxygen content in the exhaust gas in the second Keeping converter 6 in optimal ranges of e.g. 4 to 5% can be between first converter 5 and the second converter 6 one indicated by 7 in the drawing Secondary air supply, for example in the form of an automatic air intake, be provided. This secondary air supply can also be used to cool the exhaust gas are used to achieve an optimal operating temperature in the second converter to be able to maintain in the range between 250 and 3500 C.
Bei dem in der Zeichnung gezeigten System saugt also die Brennkraftmaschine 1 über die Ansaugleitung 3 mit dem ungeregelten Gemischbildner 2 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch an und gibt das bei der Verbrennung in der Brennkraftmaschine entstehende Abgas über die Abgasleitung 4 und die beiden Konverter 5 und 6 an die Umgebung wieder ab. Entsprechend der instationären Betriebsweise des Fahrzeugs wechselt das motorische Luft-Kraftstoff-Luft-Verhältnis zwischen der mageren Grundeinstellung und fetten Anteilen, insbesondere bei Beschleunigungs-, Verzögerungs- und Vollastphasen. In den fetten Betriebsphasen setzt der erste Konverter 5 die Stickoxide zu eine#m bestimmten Teil um, und zwar zum größten Teil zu Stickstoff, zu einem kleineren Anteil zu Ammoniak. Dieses Ammoniak wird im zweiten Konverter 6 dazu benutzt weitere Stickoxide zu reduzieren. Diese Stickoxid-Reduktion im zweiten Konverter 6, die vorzugsweise bei oxydierender Atmosphäre, das heißt also bei Luftüberschuß, stattfindet, kann daher in mageren Betriebsphasen der Brennkraftmaschine durchgeführt werden, jedoch nur so lange, wie Ammoniak in der Masse des Katalysators gespeichert ist. Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe werden im ersten Konverter 5 nachverbrannt, und zwar im wesentlichen nur während der mageren Betriebsphasen mit > 1. Die gegebenenfalls in das System integrierte Sekundärluftzuführung 7, die beispielsweise an einer venturiartigen Verengung der Abgasleitung 4 zwischen den beiden Konvertern 5 und 6 vorgesehen sein kann, ermöglicht eine Zumischung von Luft zum Abgas, die eine zur optimalen Funktion des zweiten Katalysators erforderliche Sauerstoffkonzentration im Abgas sowie gegebenenfalls eine zur Einhaltung einer optimalen Betriebstemperatur erforderliche Abgastemperierung gewährleistet.In the system shown in the drawing, the internal combustion engine sucks 1 a fuel-air mixture via the intake line 3 with the unregulated mixture generator 2 and indicates the exhaust gas produced during combustion in the internal combustion engine Via the exhaust pipe 4 and the two converters 5 and 6 to the environment again away. The motor-driven mode changes according to the unsteady mode of operation of the vehicle Air-fuel-air ratio between the basic lean setting and rich Proportions, especially during acceleration, deceleration and full load phases. In In the rich operating phases, the first converter 5 sets the nitrogen oxides to a # m determined Part of it, mostly to nitrogen, a smaller part to ammonia. This ammonia is used in the second converter 6 to reduce further nitrogen oxides. This nitrogen oxide reduction in the second converter 6, which preferably takes place in an oxidizing atmosphere, i.e. when there is excess air can therefore be carried out in lean operating phases of the internal combustion engine, however only as long as ammonia is stored in the bulk of the catalyst. Carbon monoxide and unburned hydrocarbons are burned in the first converter 5, and essentially only during the lean operating phases with> 1. The if necessary, secondary air supply 7 integrated into the system, which for example at a venturi-like narrowing of the exhaust line 4 between the two converters 5 and 6 can be provided, allows an admixture of air to the exhaust gas, which an oxygen concentration required for the second catalyst to function optimally in the exhaust gas and, if necessary, one to maintain an optimal operating temperature required exhaust gas temperature control guaranteed.
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