DE60014662T2 - Verbesserungen in der schadstoffausstossregelung - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen bei der Kontrolle oder Bekämpfung von Emissionen. Insbesondere befasst sich die Erfindung mit Verbesserungen bei der Kontrolle oder Bekämpfung von Partikeln und NOX aus Dieselmotoren.
  • Die Verwendung von Katalysatoren zur Kontrolle oder Bekämpfung von Emissionen für eine Motorenabgasreinigung ist weit verbreitet. Dieselmotoren weisen verschiedene Charakteristiken oder Eigenschaften auf als mit Benzin betriebene Motoren, mit einer verschiedenen Mischung von Verunreinigungen, verursacht durch die verschiedenen Treibstoffe, die verschiedenen Verbrennungseigenschaften in dem jeweiligen Motor und die niedrigeren Temperaturen, die erreicht werden innerhalb der Abgase aus Dieselmotoren. Außerdem emittieren oder geben Dieselmotoren erkennbar mehr Partikel oder Feststoffteilchen ab als Benzinmotoren, insbesondere unter schwerer Belastung und bei einem Start. Im allgemeinen kann gesagt werden, dass Dieselmotoren weniger NOX emittieren oder abgeben als ein Benzinmotor unter den meisten Bedingungen, da aber Dieselmotoren meistens oder ausschließlich bei einem hohen Luft-zu-Treibstoff-Verhältnis arbeiten oder betrieben werden, d.h. "Mager"-Verbrennungsmotoren sind, begünstigt oder fördert die Chemie des Abgases die NOX Reduktion durch Nachbehandlung wegen des Überschusses an oxidierender Spezies nicht. Es stehen Motorentwicklungs- oder Motoraufbaumöglichkeiten zur Verfügung, die die Mengen an NOX oder von Partikeln verringern oder reduzieren, aber nicht beides simultan oder gleichzeitig.
  • Um die verschiedenen Emissionsregulierungen zu erfüllen, die schon in Kraft sind oder gerade dabei sind, in Kraft zu treten, wurde es notwendig, Dieselabgase auf verschiedenen Wegen zu behandeln. Oxidationskatalysatoren, die die Oxidation von nicht verbrannten Kohlenwasserstoffen ("KWs") und Kohlenmonoxid ("CO") katalysieren, werden nun regelmäßig in Diesel für niedrige Belastung eingebaut und Partikelabscheider von verschiedenen Typen sind dabei einen üblichen Stellenplatz zu erhalten bei Hochleistungsdieseln, wie sie in Lastkraftwagen, Bussen und einigen stationären Motoren verwendet werden. Eine Technik zur Verringerung von Gasemissionen, insbesondere NOXEmissionen aus Dieselmotoren ist die Abgasrückführung ("AGR"), die einen Teil des Abgases nimmt und ihn in die Motorzylinder zurückführt. Im Allgemeinen werden etwa 30 bis zu 75 Vol.-% der Abgase rückgeführt, in Abhängigkeit von den Eigenschaften oder den Charakteristika des besonderen Motors und der Emissionsgrenzen, die eingehalten werden müssen. Obwohl die AGR seit vielen Jahren bei Benzinmotoren verwendet wurde, um prinzipiell die Treibstoffwirtschaftlichkeit oder Treibstoffwirksamkeit zu verbessern, wurde sie erst kürzlich in Dieselmotoren eingebaut; wir glauben, dass die meisten Dieselfahrzeuge, die zur Zeit mit einem AGR ausgestattet sind, Leichtlastdieselmotoren für Personenkraftwagen sind. In dem Fall von Motoren, die mit einem Katalysator ausgestattet sind, glaubt man, dass das Abgas immer stromaufwärts von dem Katalysator bei praktischen Anwendungen genommen wird. Ein System, dem ein AGR und Katalysatoren einverleibt sind, von dem geglaubt wird, dass es bei Benzinmotoren angewendet wird, ist in der DE 198 53 119 beschrieben, wo ein AGR-Gasfluss oder -strom stromabwärts entnommen wird von einem eng gekoppelten Starferkatalysator, aber stromaufwärts von dem Hauptdreiweg-Katalysator. Es wird allgemein erwartet, dass das AGR eine(n) signifikante(n) oder beträchtlichen) nützliche(n) Effekt (Auswirkung) haben würde auf Emissionen aus Hochleistungs- oder Hochlastdieselmotoren, d.h. solchen, die bei schweren Lastkraftwagen und Bussen eingebaut sind. Wegen der ingenieurtechnischen Probleme oder Schwierigkeiten, die hervorgerufen werden durch die sehr verschiedenen Abgaseigenschaften, verglichen zu Leichtlastdieselmotoren, hat es sich jedoch gezeigt, dass dies schwierig zu erreichen ist. Insbe sondere gibt es zur Zeit keine kommerzielle Quelle für ein AGR-Ventil von geeigneter Größe und Materialien, um in einen Schwerlastdieselmotor eingebaut zu werden.
  • Wir nehmen auch Bezug auf eine Vorrichtung, die vermarktet wird als "CRTTM" von Johnson Matthey PLC. Diese Vorrichtung ist beschrieben im US Patent mit der Nummer 4 902 487 und steht für einen kontinuierlichen regenerativen Partikelabscheider. Anders als die große Mehrheit von Partikelabscheidern regeneriert diese Vorrichtung jedoch kontinuierlich oder halbkontinuierlich in situ ohne des Bedarfs oder der Notwendigkeit einer periodischen Ersetzung oder einem elektrischen Erwärmen, um den Ruß zu zünden. Eine solche Vorrichtung beruht auf einem Katalysatorsystem, das NO2 erzeugt, von dem bewiesen ist, dass es wirksam ist, um eine Verbrennung bei niedriger Temperatur von eingefangenen oder abgeschiedenen Rußpartikeln zu verursachen.
  • Das Prinzip des CRT wurde übernommen von Hino in deren veröffentlichten japanischen Patentanmeldungen JP 8 338 320 und JP 9 088 727 in Kombination mit einem AGR. Jedoch wird nicht geglaubt, dass solche Systeme, wie sie beschrieben sind, eingerichtet sind zur Verwendung bei wahren oder tatsächlichen Schwerlastdieselanwendungen.
  • Die JP 6 066 208 beschreibt einen Dieselmotor mit einem AGR sowie einem Oxidationskatalysator und einem Rußabscheider (oder -filter). Es ist jedoch offensichtlich, dass der AGR-Gasfluss oder – strom von dem Motor ent- oder genommen wird ohne ein Durchleiten durch irgendeinen Katalysator oder irgendein Filter. Das rückgeführte Gas wird zuerst gefiltert, dann durch einen Oxidationskatalysator geleitet. Wir glauben, dass die Vorteile oder nützlichen Eigenschaften von einem solchen System nicht zu solchen aus unseren eigenen Entwicklungen passen.
  • Wir offenbarten kürzlich in der WO 99/09307 eine neue Kombination, die sehr niedrige Werte an NOX bieten kann. Die Erfindung stellt ein Dieselmotorsystem bereit, das einen Dieselmotor und ein Abgassystem dafür umfasst, das dadurch gezeichnet ist, dass das Abgassystem einen Katalysator einschließt, der wirksam ist, um NO in NO2 umzuwandeln unter normalen Betriebsbedingungen, einen Abscheider für Partikel, der stromabwärts des Katalysators angebracht oder eingebaut ist, und ein Abgasrückführungssystem, das stromabwärts von dem Abscheider angebracht oder eingebaut ist, und ausgestattet ist mit Kühlungsmitteln, um den Teil des Abgases, der rückgeführt wird, zu kühlen.
  • Die DE 4 007 516 A offenbart einen Dieselmotor, der ein Abgassystem einschließt, das einen Oxidationskatalysator und einen Partikelabscheider umfasst, der sich stromabwärts davon befindet.
  • Es wird angegeben, dass die Gase zur Abgasrückführung in der WO 99/09307 und DE 4 007 516 A stromabwärts von dem Abscheider entnommen werden und auf diese Weise von reduzierten oder verringerten Partikeln profitieren.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein modifiziertes Diesel-AGR und Katalysatorsystem bereit, das einen Dieselmotor umfasst, der ausgestattet ist mit einem Abgassystem, wobei das Abgassystem umfasst einen Oxidationskatalysator und ein Abgasrückführungssystem, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasrückführungssytemeinlass stromabwärts von dem Oxidationskatalysator angebracht oder eingebaut ist und stromaufwärts von einem Abscheider für Partikel, so dass der Anteil der Abgase, die rückgeführt werden, durch den Oxidationskatalysator geströmt sind.
  • Vorzugsweise ist der Oxidationskatalysator wirksam, um mindestens einen Teil von NO in den Abgasen zu NO2 zu oxidieren unter typischen Bedingungen für den Motor. Besonders bevorzugt ist der Katalysator ein hochbeladbarer Platinkatalysator, der getragen wird oder geträgert ist auf einem Metall- oder Keramik-Durchfluss-Honigwabenkatalysatorträger. Ein solcher Träger kann von 50 bis 800 Zellen/Inch2 (7,75 bis 124,00 Zellen cm-2) aufweisen, vorzugsweise etwa 400 Zellen pro Quadratinch (62 Zellen cm 2). Der Katalysator kann eine Beladung aufweisen von 10 bis 150 g Pt / cu ft (0,283 bis 4,245 g I–1) an Katalysator, vorzugsweise 75 bis 100 g/cu ft (2,12 bis 2,83 g I–1), gegebenenfalls in Verbindung oder Assoziation mit ein oder mehreren anderen Platingruppenmetallen und/oder ein oder mehreren Katalysatoren oder Beschleunigern aus unedlem Metall, wie zum Beispiel Ce, V, W oder Zr.
  • Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren bereit zur Verminderung oder Reduktion von umweltverschmutzenden Emissionen aus Dieselmotorabgas, einschließlich NOx, wobei das Verfahren umfasst ein Durchleiten des Abgases aus dem Motor durch einen Oxidationskatalysator, um NO2 aus NO in dem Gas zur erzeugen, ein Herausgreifen oder eine Entnahme eines Teils des erhaltenen Gases aus dem erhaltenen Gasstrom und ein Rückführen des Teils zu dem Motoreinlass und ein Einfangen von Partikeln in einem Filter, der stromabwärts angebracht ist von dem Punkt des Herausgreifens des Teils der erhaltenen Gases und ein Oxidieren der Partikel durch Umsetzung mit mindestens einem Teil des NO2, das durch den Oxidationskatalysator erzeugt wird. Vorzugsweise wird mindestens der Hauptteil oder der überwiegende Anteil von kohlenstoffhaltigen Partikeln in den verbleibenden Gasen in einem Abscheider gesammelt und kontinuierlich oder halbkontinuierlich durch Umsetzung mit dem NO2 oxidiert.
  • Die Abgasrückführung kann ausgeführt werden unter Verwendung von im Wesentlichen gut etablierter oder errichteter Technologie, unter Verwendung von Ventilen in dem Abgassystem und einem Kontrollsystem. Man ist der Auffassung, dass die vorliegende Erfindung am wirksamsten oder effektivsten betrieben werden kann bei einem niedrigeren Rückführungsverhältnis (z.B. 5 bis 30 Vol.-%, vorzugsweise 12 bis 20 Vol.-%), als es normal ist. Obwohl das Motoreinlassvakuum ausreichend AGR bereitstellen kann, kann es bevorzugt sein ein Pumpen zu verwenden, um ein Vakuum bereitzustellen unter Verwendung eines variierbaren oder variablen Geschwindigkeitsventilators oder -fächers oder einer Pumpe, beim Betrieb unter der Kontrolle oder Steuerung der Motormanagementeinheit.
  • Vorzugsweise ist das AGR-Ventil stromabwärts angebracht oder eingebaut, in der Rückführungsschleife des Kühlers, wobei ein Anteil der Partikel entfernt wird aus dem Gas in den Kühler. Da die rückgeführten Gase angereichert sind mit NO2, ist es möglich, in Abhängigkeit von den Gastemperaturen, Fließ- oder Strömungsgeschwindigkeiten und Widerstandszeiten, dass ein Teil der Partikel vollständig oder teilweise verbrannt wird innerhalb des Kühlers oder "im Flug".
  • Es ist zu beachten, dass das System und Verfahren der Erfindung nach Wunsch oder vorzugsweise einen Partikelabscheider einschließt, stromabwärts von der AGR-Schleife, so dass alle die Gase, die dem Abgasauslassrohr zugeführt werden, gefiltert werden, da nur ein Anteil des Abgases rückgeführt wird. Ein bevorzugter Abscheider ist ein extrudierter keramischer, z.B. Cordierit-, Wandflussfilter oder Wandströmungsfilter. Andere Filter einschließlich von Metallnetzen oder -gittern oder Metall- oder Keramikschäumen, können auch in Betracht gezogen werden. Filter als solche sind nicht wesentlich, wenn das System eine ausreichende Verweildauer bereitstellt für die Partikel, die durch Umsetzung mit NO2 im Flug oxidiert werden, die möglicherweise an der Vorderseite anhaften oder innerhalb der Zellen der katalytischen Bestandteile oder Varianten oder Alternativen von diesen.
  • Man ist der Ansicht, dass die vorliegende Erfindung in ihren bevorzugten Ausführungsformen gewisse unerwartete Vorteile bereitstellt. Die Erfindung ist wirksam, um NOX bei allen Motorbetriebstemperaturen zur reduzieren, weil sie nicht abhängt von einem NOX Reduktionskatalysator, der leicht Austemperaturen erreicht. Dies gewinnt zunehmend an Bedeutung, da Dieselmotoren entworfen oder aufgebaut sind, um zunehmende Wirtschaftlichkeit oder Effizienz bereitzustellen und Abgastemperaturen fallen. Außerdem leiden traditionelle oder herkömmliche AGR-Systeme unter Abrieb und anderer Zersetzung sowohl von den AGR-Ventilen, die verwendet werden, um den Rückführungsanteil der Abgase zu extrahieren, als auch an Motor- und Abgasbestandteilen selbst. Eine solche Zersetzung kann zu teuren Neubauten führen und Motorreparaturzeiten, und ein System, das die Möglichkeit für Einsparungen auf diesem Gebiet bereitstellt, besitzt beträchtlichen wirtschaftlichen Wert.
  • Der Anteil von rückgeführten Abgasen wird nach Wunsch oder vorzugsweise gekühlt bevor er gemischt wird mit Verbrennungsluft für den Motor. Die Verbrennungsluft weist vorzugsweise oder nach Wunsch einen überatmosphärischen oder aufgeladenen Druck auf, der das Ergebnis ist aus einem Turbolader oder Verdichter, und es ist gut bekannt, solche Verbrennungsluft zu kühlen, um seine Dichte vor dem Einlass in die Zylinder zu erhöhen.
  • Ein Kühlen kann separat oder getrennt erzielt werden, oder wenn die rückgeführten Gase und frische Verbrennungsluft kombiniert werden. Vorzugsweise wird eine Fremdkühlung verwendet, obwohl ein Flüssig (z.B. Wasser)-Kühler verwendet werden kann.
  • Gemäß den Leitlinien der vorliegenden Erfindung kann der Fachmann die Erfindung an verschiedene Dieselmotoren anpassen und auf verschiedenen Wegen die Vorteile und Vorzüge der Erfindung erreichen.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun in Bezug auf die beigefügte schematische Zeichnung einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
  • Ein Schwerlastdieselmotor wird allgemein bezeichnet durch 1. Das Motorabgasverteilrohr 2 führt zu einer Turbine 3 und führt in ein Abgassystem 4. Ein Katalysatorelement 5a und ein Filterelement 5b sind in einem Gehäuse 5 untergebracht oder eingebaut. Es gibt ein Rohr 6, das verbunden ist zwischen den Katalysator- und Filterelementen, das einen Teil des Abgases herausziehen oder extrahieren kann gemäß dem Zustand oder dem Status des Abgasflussventils oder Abgasströmungsventils, das unten beschrieben ist, und ist der AGR-Einlass. Der Teil des Abgases wird zu einem Abgaskühler geleitet, allgemein bezeichnet durch 7, der wirksam ist, um die Temperatur des Abgases auf den Bereich von 80 bis 150 °C zu reduzieren. Der Abgaskühler kann eine flüssiggekühlte Vorrichtung sein, wie in der Zeichnung gezeigt, oder luftgekühlt. Das gekühlte Gas strömt dann durch ein Abgasflussventil 8, das betätigt wird unter der Kontrolle oder Steuerung einer Motormanagementeinheit (nicht gezeigt). Gemäß der Position oder Stellung des Ventils wird Abgas durch das Rohr 6 zur Rückführung entnommen oder extrahiert. Die Motormanagementeinheit verwendet herkömmliche Fühler, um geeignete Beladungsbedingungen für den AGR-Betrieb zu bestimmen, z.B. beim Leerlauf und bis zu etwa Halblastbedingungen, einschließlich Beschleunigung, aber die Verwendung der AGR unter Vollbeladungsbedingungen wird zur Zeit nicht als vorteilhaft erwartet.
  • Das Abgas wird dann gemischt mit frischer Luft zur Verbrennung, die genommen wird durch einen Lufteinlass 9. Vorteilhafterweise oder nach Wunsch kühlt eine Zwischenkühlereinheit 10 die Verbrennungsluft und rückgeführtes Abgas auf etwa 25 bis 40 °C, bevor sie oder es komprimiert oder zusammengedrückt wird durch eine Turboladereinheit 11, angetrieben durch eine Welle oder einen Schaft aus der Turbine 3. Die Aufladung an Gas wird dann durch die Standardzwischenkühlereinheit 12 geleitet, um das Gas auf etwa 35 bis 60 °C zu kühlen, bevor es dem Motor zugeführt wird.
  • Das System der Erfindung, wie oben beschrieben, wurde in einen kommerziellen 10I-Schwerlastmotor eingebaut und über eine Vielzahl oder Verschiedenheit von AGR-Raten getestet. Unter Verwendung von standardisierten Tests fanden wir, dass das NOx aus dem Motor verringert werden konnte, um Mengen von 20 % bis zu mehr als 80 % im Anteil von der zunehmenden AGR-Rate von 5 Vol.-%, die rückgeführt wurden bis etwa 30 %, die rückgeführt wurden. Wie jedoch gut bekannt ist, leidet die AGR unter einer Treibstoffverbrauchsstrafe, und die Strafe für eine zunehmende NOX Verminderung oberhalb etwa 90 % wird kommerziell inakzeptabel. Die bevorzugte AGR-Rate gemäß der Erfindung beträgt von 15 bis 25 %.

Claims (8)

  1. Dieselmotor (1) ausgestattet mit einem Abgassystem (4), das umfasst einen Oxidationskatalysator (5a), einen Partikelabscheider (5b) und ein Abgasrückführungs("AGR")-System, wobei der AGR-Systemeinlass (6) stromabwärts von dem Oxidationskatalysator angebracht ist, so dass der Anteil an rückgeführtem Abgas durch den Oxidationskatalysator strömt, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelabscheider stromabwärts von dem AGR-Systemeinlass vorgesehen ist.
  2. System nach Anspruch 1, das so angeordnet ist, dass der gesamte Rest des nicht rückgeführten Abgases durch den Partikelabscheider strömt.
  3. System nach Anspruch 1, wobei der Partikelabscheider in dem AGR-System angeordnet ist.
  4. System nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Partikelabscheider wirksam ist, um mindestens 50 Gew.-% der Partikel in dem Abgas aufzufangen.
  5. System nach Anspruch 4, wobei der Partikelabscheider Umgehungsmittel umfasst, wobei die Anordnung so ist, dass ein Blockieren oder Verstopfen des Abscheiders keinen zu hohen Gegendruck in dem Abgassystem verursacht.
  6. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Rückführungsverhältnis des AGR-Systems verändert werden kann von 5 bis 30 Vol.-%.
  7. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, das umfasst einen Kühler (7) für die rückgeführten Gase, wobei der Kühler stromaufwärts von einem AGR-Ventil (8) angeordnet ist.
  8. Verfahren zur Verminderung umweltverschmutzender Emissionen aus Dieselmotorabgas, einschließlich von NOX, das umfasst ein Durchleiten des Abgases aus dem Motor durch einen Oxidationskatalysator, um NO2 aus NO in dem Gas zu erzeugen, ein Herausgreifen eines Teils des erhaltenen Gases aus dem erhaltenen Gasstrom und ein Rückführen des Teils zu dem Motoreinlass und ein Einfangen von Partikeln in einem Filter, der stromabwärts angebracht ist von dem Punkt des Herausgreifens des Teils des erhaltenen Gases und ein Oxidieren der Partikel durch Umsetzung mit mindestens einem Teil des NO2, das durch den Oxidationskatalysator erzeugt wird.
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