DE602004005133T2

DE602004005133T2 - Verfahren zur Behandlung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen aus einem mit Erdgas betriebenen fremdgezündeten Verbrennungsmotor sowie eine Vorrichtung zur Anwendung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE602004005133T2
Application number: DE602004005133T
Authority: DE
Inventors: Yvane Lendresse
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2003-11-18
Filing date: 2004-11-16
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2024-11-17
Also published as: ATE356285T1; FR2862340B1; EP1538312B1; FR2862340A1; EP1538312A1; DE602004005133D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Schadstoffen aus der Verbrennung eines mit Erdgas betriebenen fremdgezündeten Verbrennungsmotors, das insbesondere die Oxidation von Kohlenwasserstoffen und insbesondere vom Methan-Typ verbessern soll, wenn der Katalysator nicht in Betrieb ist. Sie kommt insbesondere bei einem Kraftfahrzeug-Motor zum Einsatz.
Die Schadstoffe aus der Verbrennung eines mit Erdgas betriebenen fremdgezündeten Verbrennungsmotors sind hauptsächlich unverbrannte Kohlenwasserstoffe vom Methan-Typ CH₄, Stickoxide NO_x (Stickstoffmonoxid NO und Stickstoffdioxid NO₂) und Kohlenmonoxide (Kohlenmonoxid CO und Kohlendioxid CO₂). Zur Einhaltung der internationalen Umweltnormen müssen die Kohlenwasserstoff-, Kohlenmonoxid- und Stickoxid-Emissionen sowohl im Neuzustand als auch auf Dauer gesenkt werden und Technologien zur Nachbehandlung sind unerlässlich.
Die Senkung der Schadstoffemissionen in der Gasphase kann durch spezifische Katalysatoren in der Abgasleitung, beispielsweise sogenannte Drei-Wege-Katalysatoren, erreicht werden, um die Vorschriften über die Stickoxide NO_x (reduzierende Funktion des Katalysators, im Allgemeinen durch Rhodium erhalten), die Vorschriften zu CO (oxidierende Funktion des Katalysators, im Allgemeinen durch Platin erhalten) und die Vorschriften über die unverbrannten Kohlenwasserstoffe (im Allgemeinen durch Wechselwirkung mit Palladium eingedämmt) einzuhalten.
Die Verwendung von Erdgas für den Betrieb eines fremdgezündeten Motors bringt zwar eine deutliche Senkung der Emissionen an un verbrannten Kohlenwasserstoffen am Ausgang des Motors mit sich (zwischen 50 und 75% gegenüber einem Benzinmotor mit gleichem Hubraum und an stabilisierten Betriebspunkten des Motors), aber diese Kohlenwasserstoffe sind vom Methan-Typ und aufgrund ihrer hohen physikalisch-chemischen Stabilität sehr schwer oxidierbar. Die direkte Konsequenz der hervorragenden Stabilität des Methan-Moleküls ist, dass bei gleicher katalytischer Formulierung die Temperatur der halben Umwandlung der Kohlenwasserstoffe, d. h. die Temperatur, bei der die Hälfte der Kohlenwasserstoffe in den Abgasen oxidiert ist, um ungefähr 200°C höher ist als die Temperatur der halben Umwandlung der Kohlenwasserstoffe aus einem ansonsten gleichen Motor, der mit Benzin betrieben wird. Außerdem sind die Temperaturen der Abgase eines mit Erdgas betriebenen Motors gegenüber einem Benzinmotor um ungefähr 20°C niedriger. Die Oxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe aus einem mit Erdgas betriebenen fremdgezündeten Motor findet also bei relativ hoher Temperatur statt, während die Abgase mit einer niedrigeren Temperatur aus dem Motor austreten.
Um die Temperatur der Abgase eines mit Erdgas betriebenen fremdgezündeten Verbrennungsmotors zu erhöhen, können spezifische Strategien der Erwärmung des Katalysators bei Verschlechterung der Vorzündung hauptsächlich während der Kaltstart-Phase des Fahrzeugs angewandt werden; möglich sind auch verbesserte Isolierungen der Abgasleitung oder Veränderungen der Architektur der Abgasleitung dahingehend, dass die Katalysator-Blöcke möglichst nah an den Ausgang des Motors gebracht werden. Die Kombination dieser verschiedenen Strategien verbessert die Anspringtemperaturen der Drei-Wege-Katalysatoren deutlich, genügt aber nicht im Hinblick auf künftige Normen.
Diese Strategien zur Kontrolle des Motors können mit spezifischen katalytischen Formulierungen für Erdgas-Motoren gekoppelt sein. Hierzu schlagen die Lieferanten von Katalysatoren vor, die Beladung der Drei-Wege-Katalysatoren mit Edelmetallen massiv zu erhöhen (beispielsweise von ungefähr 1,4 Gramm Metall je Liter Katalysator auf ungefähr 10,6 Gramm Metall je Liter Katalysator für die Erdgas-Anwendungen), um die Temperatur der halben Umwandlung der Kohlenwasserstoffe vom Methan-Typ zu senken und eine Leistungsfähigkeit aufrechtzuerhalten, die mit den zukünftigen Vorschriften bezüglich der Dauerhaftigkeit vereinbar ist. Die Erhöhung der Edelmetallmenge ist auch damit verbunden, dass die Katalysatorträger anders festgelegt werden, nämlich in Richtung einer deutlichen Erhöhung der Zellendichten mit einer Verringerung der Wanddicken. Die Folge davon ist eine erhebliche Versprödung der katalytischen Materialien, was sich stark und in negativer Weise auf das Einsetzen von diesen in ihr Gehäuse oder Canning auswirkt.
Solche Katalysatoren beginnen jedoch erst zu funktionieren, wenn die Temperatur der Gase die Anspringtemperatur des Katalysators erreicht.
Außerdem ist aus der EP1020620 eine Vorrichtung zum Erzeugen und Einführen von Ozon in die Abgasleitung eines Verbrennungsmotors stromaufwärts des Katalysators bekannt. Diese Abgasleitung umfasst jedoch keine Mittel, die die Temperatur darin messen und abhängig von dieser das Anhalten oder Betreiben der Vorrichtung steuern können, welche Ozon erzeugt und einleitet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Behandlung der unverbrannten Kohlenwasserstoffe vom Methan-Typ eines mit Erdgas betriebenen fremdgezündeten Verbrennungsmotors insbesondere für ein Kraftfahrzeug vorzuschlagen, das die unver brannten Kohlenwasserstoffe schon beim Kaltstarten des Motors oxidieren kann.
Das Verfahren besteht erfindungsgemäß darin, eine Ozon enthaltende Gasmischung in die Abgasleitung einzuspritzen, um die unverbrannten Kohlenwasserstoffe zu oxidieren, wenn die Temperatur der in der Abgasleitung des Motors zirkulierenden Gase unterhalb eines bestimmten Grenzwertes liegt, und die Gase mittels eines Katalysators zu behandeln, wenn ihre Temperatur über diesem Grenzwert liegt.
Vorzugsweise entspricht der Grenzwert der Temperatur der halben Umwandlung des Methans.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie mindestens einen Katalysator in der Abgasleitung des Motors und einen Temperatursensor stromaufwärts des Katalysators und eine zur Abgasleitung des Motors parallele Luftzufuhr-Leitung mit einer Luftpumpe und einer Vorrichtung zur Ionisation von Luft aufweist, wobei das aus der Luftionisations-Vorrichtung kommende Gasgemisch von Einspritzmitteln in die Abgasleitung geführt werden kann und wobei die Vorrichtung weiter Mittel zur Kontrolle der Funktion der Luftpumpe, der Ionisations-Vorrichtung und der Einspritzmittel abhängig von der vom Sensor gemessenen Temperatur aufweist.
Es folgen weitere Merkmale der Erfindung.
Die Kontrollmittel sorgen für die Inbetriebnahme der Luftpumpe, der Luftionisations-Vorrichtung und der Einspritzmittel, wenn die vom Sensor gemessene Temperatur den Grenzwert unterschreitet.
Die Kontrollmittel sorgen für das Anhalten der Luftpumpe, der Luftionisations-Vorrichtung und der Einspritzmittel, wenn die vom Sensor gemessene Temperatur den Grenzwert übersteigt.
Vorzugsweise entspricht die Temperaturgrenze der Temperatur der halben Umwandlung des Methans.
Die Einspritzmittel können stromaufwärts oder stromabwärts mit dem Katalysator in Verbindung stehen.
Die Luftionisations-Vorrichtung kann aus mehreren Reaktoren bestehen, die in der Luftzufuhr-Leitung in Reihe geschaltet sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann darüber hinaus eine Gasionisations-Vorrichtung in der Abgasleitung und Mittel zur Kontrolle von deren Funktion aufweisen. Diese können unabhängig von den Mitteln zur Kontrolle der Luftionisations-Vorrichtung sein.
Die Erfindung wird besser verständlich bei der Lektüre der Beschreibung der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen, die nur als Beispiele dienen. Gleiche Elemente tragen in den Figuren gleiche Bezugszeichen.
1 zeigt eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik, bei der die Einspritzmittel, die die Gasmischung aus der Luftionisations-Vorrichtung in die Abgasleitung führen können, stromaufwärts des Katalysators angeordnet sind.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die analog zur Vorrichtung von 1 ist, aber in der die Einspritzmittel stromabwärts des Katalysators angeordnet sind und in der eine Gasionisations-Vorrichtung in die Abgasleitung eingesetzt wurde.
Die in 1 dargestellte Vorrichtung umfasst in einer zur Abgasleitung 9 eines mit Erdgas betriebenen, fremdgezündeten Motors 1 parallelen Zufuhrleitung 6 für ionisierte Luft vorzugsweise in einer stöchiometrischen Menge, eine Luftionisations-Vorrichtung 2, die von einem nicht dargestellten Hochspannungssystem versorgt wird, das (in Amplitude, Dauer und Frequenz) modulierbare Stromimpulse liefert, und eine Luftpumpe 4, die es ermöglicht, die Luft zur Ionisationsvorrichtung 2 zu führen. Einspritzmittel 8 können die aus der Luftionisations-Vorrichtung 2 kommende Gasmischung in die Abgasleitung 9 führen. Diese umfasst einen Katalysator, beispielsweise einen Drei-Wege-Katalysator 3, und einen Temperatursensor 5 stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators 3. Ein Rechner 7 erhält Informationen vom Temperatursensor 4 und am Ausgang und kann die Luftpumpe 4, die Funktion der Luftionisations-Vorrichtung 2 und der Einspritzmittel 8 steuern.
Wenn sie in Betrieb ist, erzeugt die Luftionisations-Vorrichtung 2, die vorzugsweise ein nicht thermischer Plasmareaktor ist, elektrische Entladungen in der von der Pumpe 4 beförderten Luft und durch die Kollision zwischen der Luft und den in diesen Entladungen enthaltenen energetischen Elektronen werden metastabile Spezies gebildet, Radikale und sehr reaktive Ionen, bei denen es sich um hochreaktive Stoffe handelt, die Oxidationsreaktionen initiieren.
Die in den nicht thermischen Plasmareaktor eingebrachte Energie wird durch eine vorzugsweise gepulste Hochspannungsversorgung erzeugt, die mit dem Elektrodensystem des Luftionisations-Reaktors verbunden ist (die Anoden sind mit der Hochspannung verbunden). Die für die Bildung von Ozon nötige Energie wird durch Modulieren der elektrischen Parameter der Versorgung, nämlich der Spannung, der Stärke und/oder der Wiederholfrequenz der Stromimpulse (oder -pulse) erhalten.
Genauer gesagt erfolgen die Oxidationsreaktionen durch Aktivierung des atomaren Sauerstoffs über elektrische Entladungen, die in der Ionisationsvorrichtung 2 erzeugt werden und zur Bildung von Ozon führen, ein sehr starkes und sehr reaktives Oxidationsmittel. Das von den Einspritzmitteln 8 in die Abgasleitung 9 geführte Ozon kann dann die Kohlenwasserstoffe, insbesondere solche vom Methan-Typ, oxidieren, um vorzugsweise Kohlendioxid, aber auch Kohlenmonoxid zu bilden. Außerdem kann es das Stickstoffoxid in den Abgasen oxidieren, um Stickstoffdioxid zu bilden.
Wenn der Temperatursensor 5 eine Temperatur unter einem bestimmten Grenzwert feststellt, beispielsweise unter der Temperatur der halben Umwandlung des Methans, steuert der Rechner 7 das Ingangsetzen der Luftpumpe 4 und der Luftionisations-Vorrichtung 2. Die Temperatur der halben Umwandlung des Methans ist die Temperatur, bei der die Hälfte des Methans oxidiert ist. Diese Temperatur liegt zwischen 300°C und 400°C, je nach der katalytischen Formulierung des Katalysators 3.
Es wird also Ozon erzeugt und über die Einspritzmittel 8 in die Abgasleitung 9 eingespritzt.
Wenn der Temperatursensor 5 eine Temperatur über dem genannten Grenzwert feststellt, steuert der Rechner 7 das Anhalten der Luftpumpe 4 und das Anhalten der Luftionisations-Vorrichtung 2 durch Unterbrechung der elektrischen Hochspannungs-Versorgung des Luftionisations-Reaktors. Damit werden die aus dem Motor 1 kommenden unverbrannten Kohlenwasserstoffe im Katalysator 3 oxidiert, der seine Anspringtemperatur erreicht hat.
2 zeigt eine Variante von 1, in der eine Gasionisations-Vorrichtung 10 in der Abgasleitung 9 stromaufwärts der Einspritzmittel 8 hinzugefügt wurde, um die Kohlenwasserstoffe vom Methan-Typ und das Stickstoffmonoxid teilweise zu oxidieren. Die vollständige Oxidation der so erhaltenen Verbindungen erfolgt durch das von den Einspritzmitteln 8 in die Abgasleitung 9 geführte Ozon. Die kombinierte Verwendung der Luftionisations-Vorrichtung 2 und der Gasionisations-Vorrichtung 10 ermöglicht es, den Energieverbrauch jeder dieser Vorrichtungen zu senken. Verschiedene Ausführungsarten kommen infrage. Die Gasionisations-Vorrichtung 10 kann von der gleichen elektrischen Versorgung wie die Luftionisations-Vorrichtung 2 gespeist werden, sodass die beiden Vorrichtungen unter gleichen Bedingungen arbeiten. Sie kann auch von einer anderen elektrischen Versorgung gespeist werden, sodass die beiden Vorrichtungen unabhängig voneinander arbeiten.
In 2 sind die Einspritzmittel 8 stromabwärts des Katalysators 3 dargestellt, aber sie könnten sich ebenso gut stromaufwärts von diesem befinden. Ebenso hätten in der Ausführungsart von 1 die Einspritzmittel 8 stromabwärts des Katalysators 3 dargestellt werden können.
Die Erfindung hat also den Vorteil, dass die unverbrannten Kohlenwasserstoffe insbesondere vom Methan-Typ auch dann behandelt werden, wenn die Abgase kalt sind.
Durch die Erfindung ist es möglich, die Edelmetallmengen des Drei-Wege-Katalysators zu verringern.
Selbstverständlich kommen auch andere Ausführungsarten in Betracht.
So kann die Luftionisations-Vorrichtung 2 aus mehreren nicht thermischen Plasmareaktoren zusammengesetzt sein, die in der Leitung 6 in Reihe geschaltet sind, sodass ihr Elektrizitätsverbrauch gesenkt wird.
Die Erfindung lässt sich auch auf einen bivalenten Motor anwenden, der mit Benzin oder Erdgas betrieben werden kann.
Sie ist auf einen Motor mit Atmosphärenluft oder einen Motor mit Turbokompressor anwendbar.

Claims

Verfahren zur Behandlung der unverbrannten Kohlenwasserstoffe vom Methan-Typ eines mit Erdgas betriebenen fremdgezündeten Verbrennungsmotors insbesondere für ein Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, die in der Abgasleitung des Motors zirkulierenden Gase zu ionisieren und ein Ozon enthaltendes Gasgemisch in die Abgasleitung zu spritzen, um die unverbrannten Kohlenwasserstoffe zu oxidieren, wenn die Temperatur der Gase unter einem bestimmten Grenzwert liegt, und die Gase mittels eines Katalysators zu behandeln, wenn ihre Temperatur über diesem Grenzwert liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert der Temperatur der halben Umwandlung des Methans entspricht.
Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit mindestens einem Katalysator (3) in der Abgasleitung (9) des Motors, einem Temperatursensor (5) stromaufwärts des Katalysators (3), einer zur Abgasleitung (9) des Motors parallelen Luftzufuhr-Leitung (6) mit einer Luftpumpe (4) und einer Vorrichtung (2) zur Ionisation von Luft, wobei das aus der Luftionisations-Vorrichtung (2) kommende Gasgemisch von Einspritzmitteln (8) in die Abgasleitung (9) geführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Gasionisations-Vorrichtung (10) in der Abgasleitung stromaufwärts der Einspritzmittel (8) sowie Mittel (7) zur Kontrolle der Funktion der Luftpumpe (4), der Ionisati ons-Vorrichtung (2) und der Einspritzmittel (8) abhängig von der vom Sensor (5) gemessenen Temperatur aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrollmittel (7) für die Inbetriebnahme der Luftpumpe (4), der Luftionisations-Vorrichtung (2) und der Einspritzmittel (8) sorgen, wenn die vom Sensor (5) gemessene Temperatur einen bestimmten Grenzwert unterschreitet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrollmittel (7) für das Anhalten der Luftpumpe (4), der Luftionisations-Vorrichtung (2) und der Einspritzmittel (8) sorgen, wenn die vom Sensor (5) gemessene Temperatur den Grenzwert übersteigt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert der Temperatur der halben Umwandlung des Methans entspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzmittel (8) stromaufwärts des Katalysators (3) mit der Abgasleitung (9) in Verbindung stehen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzmittel (8) stromabwärts des Katalysators (3) mit der Abgasleitung (9) in Verbindung stehen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftionisations-Vorrichtung (2) aus mehreren Reaktoren besteht, die in der Luftzufuhr-Leitung (6) in Reihe geschaltet sind.