DE602005006363T2

DE602005006363T2 - System zur Behandlung von NOx im Abgasstrom einer automobilen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE602005006363T2
Application number: DE602005006363T
Authority: DE
Inventors: Francois Baudin; Stephanie Schneider; Yvane Lendresse; Sabine Calvo; Patrick Da Costa; Gerald Djega-Mariadassou; Cyril Thomas; Ahmed Khacef; Jean-Marie Cormier
Original assignee: Universite Pierre et Marie Curie Paris 6
Current assignee: Universite Pierre et Marie Curie Paris 6
Priority date: 2004-11-08
Filing date: 2005-11-07
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2025-11-08
Also published as: FR2877693A1; EP1662105A1; ATE393872T1; FR2877693B1; DE602005006363D1; EP1662105B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Behandlung von Stickoxiden im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, welches System in einem Abgasstrang Mittel zur Erzeugung eines nicht-thermischen Plasmas aus den am Einlaß aufgenommenen Abgasen und Mittel zur Bildung eines Katalysators zur Verminderung von Stickoxiden enthalten, welche am Auslaß der Mittel zur Plasmaerzeugung angeordnet sind.
Die Verbrennung einer Mischung aus Luft und Kraftstoff in einem thermischen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs erzeugt Stickoxide (Stickstoffmonoxid NO und Stickstoffdioxid NO₂).
Eine Technologie zur Behandlung des im Abgas vorhandenen NOx, die unter dem Namen DeNOx-permanent bekannt ist, verwendet einen Katalysator, der im Abgasstrang des Motors angeordnet ist. Ein solcher Katalysator ist ständig katalytisch aktiv, während der Motor läuft. Dieser Katalysator verwendet Kohlenwasserstoffe, die im Abgasstrom enthalten sind, zur Reduktion des NOx an den katalytischen Stellen, die hierzu vorgesehen sind. Das thermische Fenster der katalytischen Aktivität eines solchen Katalysators, d. h., die Temperaturgrenzen, an denen der Katalysator zur Reduktion des NOx wirksam ist, ist jedoch relativ klein. Ferner ist seine Verwendung wenig vereinbar mit der Funktionsweise eines Kraftfahrzeugmotors, insbesondere da die Temperatur des Abgasstroms in hohem Maße schwanken kann.
Es ist ferner bekannt, einen Plasmagenerator vor dem Katalysator einzusetzen. Ein solcher Generator erzeugt Plasma aus den Abgasen zur Verbesserung der katalytischen Wirksamkeit des Katalysators. Das thermische Fenster der katalytischen Aktivität dieser Anordnung bleibt jedoch relativ klein, so dass ihre Verwendung ebenfalls wenig vereinbar mit der Funktionsweise insbesondere eines Kraftfahrzeugsmotors ist.
Das Dokument WO 00/43469 A beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entfernung zumindest eines Teils zumindest eines Schadstoffs in einem Abgasstrom, der ein Abgas enthält, das durch Verbrennung von Kohlenstoff in einem Motor im Magermischbetrieb erzeugt wird.
Das Dokument BE 1006164 A beschreibt eine Katalysatorvorrichtung zur Reduktion von Stickoxiden in einem Abgas, das einen großen Temperaturbereich aufweist.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, die vorstehend genannten Probleme zu lösen, indem ein System zur Behandlung von NOx als Emission eines Verbrennungsmotors eine Kraftfahrzeugs vorgeschlagen wird, welches ein grosses thermisches Fenster katalytischer Aktivität aufweist und im wesentlichen mit der ständigen Funktion eines Motors im Magermischbetrieb vereinbar ist, derart, dass ein solches System in Kraftfahrzeuge einbaubar ist, insbesondere zur effizienten Behandlung von NOx.
Hierzu betrifft die vorliegende Erfindung ein System zur Behandlung von NOx im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, welches System in einem Abgasstrang Mittel zur Erzeugung eines nicht-thermischen Plasmas aus den am Einlaß aufgenommenen Abgasen und Mittel zur Bildung eines DeNOx-Katalysators enthalten, welche am Auslaß der Mittel zur Plasmaerzeugung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Bildung des Katalysators unterschiedlicher Arten von katalytischen Elementen enthalten, welche unterschiedliche thermische Fenster katalytische Aktivität aufweisen, die sich ergänzen und gemäß der Art des zu behandelnden Gases variabel sind, welches System unter anderem umfaßt:

– erste Mittel zur Aufnahme der Temperatur des Abgases stromaufwärts der Mittel zur Bildung des Katalysators; und
– Mittel zur Steuerung der Mittel zur Plasmaerzeugung entsprechend der aufgenommenen Temperatur zur Optimierung der Reduktion des NOx bei dieser Temperatur,

Gemäß weiteren Merkmalen

– sind die Arten katalytischer Elemente derart ausgewählt, dass das gesamte thermische Fenster der katalytischen Aktivität der Mittel zur Bildung des Katalysators ein Fenster von 200°C bis 500°C umfaßt;
– die katalytischen Elemente sind aus der Gruppe ausgewählt, die aus Al₂O₃ und CeO₂-ZrO₂ besteht, das mit einem Übergangsmetall oder Edelmetall imprägniert ist;
– die katalytischen Elemente bestehen in der Strömungsrichtung des Abgasstroms aufeinanderfolgend aus Al₂O₃, Rh-Pd/CeO₂-ZrO₂ oder Ag/CeO₂-ZrO₂;
– die katalytischen Elemente sind auf einem einheitlichen Träger angeordnet;
– der einheitliche Träger ist aus einer Gruppe ausgewählt, die aus Cordierit, Mullit, SiC oder Metall gebildet wird;
– die katalytischen Elemente sind aus der Gruppe ausgewählt, die Al₂O₃ und CeO₂-ZrO₂ umfaßt;
– die Mittel zur Erzeugung nicht-thermischen Plasmas sind im Inneren der Mittel zur Bildung des Katalysators angeordnet;
– das System umfaßt zweite Mittel zur Temperaturaufnahme stromaufwärts der Mittel zur Bildung des Katalysators, und die Steuermittel umfassen Mittel zur Bestimmung des Anregungszustands der Arten katalytischer Elemente in Abhängigkeit von den aufgenommenen Temperaturen, und eine Bedingung zur Aktivierung der Mittel zur Plasmaerzeugung besteht darin, dass zumindest eine Art von katalytischem Element angeregt ist;
– die Steuermittel umfassen Mittel zum Vergleich der stromaufwärts gemessenen und stromabwärts gemessenen Temperaturen mit jeweils vorbestimmten ersten und zweiten Schwellentemperaturen, und
– in dem Fall, in welchem die stromaufwärts und stromabwärts gemessenen Temperaturen kleiner sind als ihre jeweiligen Schwellentemperaturen, sind die Mittel zur Plasmaerzeugung inaktiv;
– in dem Fall, in welchem die stromaufwärts gemessene Temperatur höher ist als die erste Schwellentemperatur und die stromabwärts gemessene Temperatur kleiner ist als die zweite Schwellentemperatur, sind die Mittel zur Plasmaerzeugung aktiv; und
– in dem Fall, in welchem die stromaufwärts und stromabwärts gemessenen Temperaturen höher sind als ihre jeweiligen Schwellentemperaturen, sind die Mittel zur Plasmaerzeugung inaktiv;
– die ersten und zweiten Schwellentemperaturen liegen jeweils im Bereich von 200°C bis 350°C; und
– die Steuermittel sind unter anderem dazu vorgesehen, die Kraftstoffversorgung der Zylinder des Motors und/oder die Luftfördermenge in den Motor zur Veränderung der Zusammensetzung der Kohlenwasserstoffe der Abgase am Auslaß des Motors zu steuern.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung verdeutlicht, die ausschließlich beispielhaft mit Bezug auf die folgenden beigefügten Zeichnungen erfolgt.
1 ist eine schematische Ansicht eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung, das mit einer Antriebseinheit eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs verbunden ist; 2 ist eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Abgaslinie des Systems gemäß 1;
3A und 3B sind graphische Darstellungen, die die katalytische Aktivität von Al₂O₃ als Funktion der Temperatur darstellen, in Anwesenheit von Propen als Reduktionsmittel des NOx, jeweils ohne und mit Plasmabehandlung der Abgase;
4A und 4B sind graphische Darstellungen der katalytischen Aktivität des Al₂O₃ als Funktion der Temperatur, in Anwesenheit einer Mischung von Kohlenwasserstoffen als Reduktionsmittel des NOx, jeweils ohne und mit Plasmabehandlung der Abgase;
5A und 5B sind graphische Darstellungen, die die katalytische Aktivität von Rh-Pd/CeO₂-ZrO₂ als Funktion der Temperatur darstellen, in Anwesenheit von Propen als Reduktionsmittel des NOx, jeweils ohne und mit Plasmabehandlung der Abgase;
6A und 6B sind graphische Darstellungen, die die katalytische Aktivität von Rh-Pd/CeO₂-ZrO₂ als Funktion der Temperatur darstellen, in Anwesenheit einer Mischung von Kohlenwasserstoffen als Reduktionsmittel des NOx, jeweils ohne und mit Plasmabehandlung der Abgabe;
7A und 7B sind graphische Darstellungen der katalytischen Aktivität von Ag/CeO₂-ZrO₂ als Funktion der Temperatur, in Anwesenheit von Propen als Reduktionsmittel des NOx, jeweils ohne und mit Plasmabehandlung der Abgase;
8A und 8B sind graphische Darstellungen der katalytischen Aktivität des Ag/CeO₂-ZrO₂ als Funktion der Temperatur, in Abwesenheit einer Mischung von Kohlenwasserstoffen als Reduktionsmittel des NOx jeweils ohne und mit Plasmabehandlung der Abgase;
9A und 9B sind graphische Darstellungen der gesamten katalytischen Aktivität eines Katalysators mit dem Aufbau gemäß 1 oder 2 als Funktion der Temperatur, in Anwesenheit von Propen als Reduktionsmittel des NOx, jeweils ohne und mit Plasmabehandlung der Abgase;
10A und 10B sind graphische Darstellungen der gesamten katalytischen Aktivität eines Katalysators mit dem Aufbau gemäß 1 oder 2 als Funktion der Temperatur, in Anwesenheit einer Mischung von Kohlenwasserstoffen als Reduktionsmittel des NOx, jeweils ohne und mit Plasmabehandlung der Abgase; und
11 ist eine schematische Ansicht einer Steuereinheit in dem Aufbau des Systems von 1.
In 1 ist ein Verbrennungsmotor 10 eines Kraftfahrzeugs mit Mitteln 12 zur Kraftstoffversorgung seiner Zylinder und Mitteln 14 zum Lufteinlaß in denselben versehen.
Der Motor 10 ist ferner mit einem Abgasstrang 16 für seine Abgase verbunden, welcher einen Reaktor 18 zur Erzeugung eines nicht-thermischen Plasmas umfaßt.
Der Reaktor 18 wird beispielsweise gebildet durch einen zylindrischen Körper, der zumindest eine erste Randelektrode umfaßt, die mit einer Maße von Mitteln 20 zur Hochspannungsversorgung verbunden ist, sowie eine zweite Zentralelektrode in Form eines Drahtes, der mit einer Einstellspannungsklemme von Mitteln 20 zur Hochspannungsversorgung verbunden ist.
Die Mittel 20 zur Spannungsversorgung sind beispielsweise durch eine Fahrzeugbatterie steuerbar und mit dieser verbunden. Sie umfassen einen Schwingungsgenerator zur Erzeugung elektrischer Entladungen in dem Ab gas, das den Reaktor 18 durchläuft, zur Erzeugung eines nicht-thermischen Plasmas.
Beispielsweise sind die Mittel 20 dazu vorgesehen, vorbestimmte Spannungspulse an die Elektroden des Reaktors abzugeben, oder eine Sinusspannung.
Ein Katalysator 22 zur NOx-Reduktion, der stromabwärts des Reaktors 18 im Abgasstrang 16 angeordnet ist, nimmt das Abgas am Ausgang des Reaktors 18 auf, d. h. unmittelbar die Abgase des Motors oder das durch den Reaktor 18 erzeugte nicht-thermische Plasma, abhängig davon, ob der Reaktor aktiv ist oder nicht.
Der Katalysator 22 umfaßt eine Anzahl katalytischer Elemente 22a, 22b, 22c, die sich unterscheiden und aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Jedes dieser katalytischen Elemente weist eine katalytische Aktivität (Konversionsrate des NOx) in einem variablen thermischen Fenster als Funktion der Art des behandelten Gases auf, d. h. insbesondere als Funktion der Zusammensetzung des Abgases im Hinblick auf verbrannte Kohlenwasserstoffe und die Plasma-Merkmale des Abgases, wie im folgenden noch genauer erläutert werden soll.
Vorteilhafterweise sind die thermischen Fenster der Elemente 22a, 22b, 22c des Katalysators 22 komplementär, wobei ein erstes Fenster in den niedrigen Temperaturen enthalten ist, ein zweites in mittleren Temperaturen und ein drittes in hohen Temperaturen. Somit ist das gesamte thermische Fenster der katalytischen Aktivität des Katalysators 22 beträchtlich, wie ebenfalls noch im folgenden erläutert werden soll.
Die Funktionsweise des Motors 10 und der beschriebenen Organe wird durch eine Einheit 24 gesteuert, welche eine Strategie zur Steuerung der Behandlung des NOx verwendet, welche die katalytische Aktivität des Katalysators 22 bei der Temperatur des Abgases maximiert, wobei der Kraftstoffverbrauch zur Energieversorgung des Reaktors 18 minimiert wird.
Ein erster Temperaturfühler 26 ist stromaufwärts des Katalysators 22 zur Messung der Temperatur des Abgases am Einlaß desselben angeordnet, welcher die gemessene Temperatur an die Einheit 24 weitergibt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ferner ein zweiter Temperaturfühler 28 stromabwärts des Katalysators 22 zur Messung der Temperatur des Abgases am Auslaß desselben angeordnet, welcher die stromabwärts gemessene Temperatur an die Einheit 24 weitergibt.
Mittel 30 zur Bestimmung des Funktionspunkts des Motors 10, beispielsweise des Drehzahlbereichs desselben, des Motordrehmoments, das vom Fahrer verlangt wird, und/oder des Luftstroms am Einlaß des Motors 10, sind ebenfalls vorgesehen und geben den bestimmten Funktionspunkt an die Einheit 24 weiter.
Diese Mittel 30 umfassen beispielsweise einen Drehzahlmesser zur Bestimmung der Drehzahl des Motors 10, einen Sensor zur Messung der Position des Gaspedals zur Bestimmung des verlangten Drehmoments und einen Strömungsmesser, der am Einlaß der Einlaßmittel 14 zur Versorgung eines Luftstroms zum Motor 10 angeordnet ist.
Eine zweite Ausführungsform des Reaktors und des Katalysators ist schematisch in 2 dargestellt.
In den 1 und 2 sind identische oder analoge Elemente durch die gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
In dieser Ausführungsform sind der Reaktor 18 und der Katalysator 22 analog wie in 1 aufgebaut, sind jedoch im gleichen Gehäuse 32 enthalten, d. h., der Reaktor 18 ist im Inneren des Katalysators 22 angeordnet.
Somit wird das nicht-thermische Plasma unmittelbar aus Gasen erzeugt, die in dem Katalysator vorhanden sind. Das bietet den Vorteil, dass das Reaktionsmilieu, in welchem sich die katalytischen Elemente des Katalysators befinden, eine Konzentration von Reaktionselementen enthält, wie etwa freie Radikale, die aufgrund des Transports derselben in Richtung der katalytischen Elemente minimal höher ist als bei der Ausführungsform in 1.
Im folgenden wird im einzelnen der Aufbau des Katalysators 22 in 1 oder 2 mit Bezug auf die 3 bis 10 erläutert, welche die katalytische Aktivität unterschiedlicher Arten katalytischer Elemente als Funktion der Temperatur und der Art der behandelten Gase darstellen.
Das katalytische Element 22a stromaufwärts des Katalysators zeigt eine katalytische Aktivität in einem Fenster hoher Temperaturen auf, d. h. eine katalytische Hauptaktivität zwischen etwa 300°C und etwa 500°C ohne Plasma in den behandelten Gasen, und zwischen etwa 200°C und etwa 400°C mit Plasma in den behandelten Gasen.
Beispielsweise kann das stromaufwärts gelegene katalytische Element Aluminiumoxid (Al₂O₃) sein.
Tabelle 1 zeigt die Haupteigenschaften von Aluminiumoxid (Al₂O₃), das in den 3A, 3B, 4A und 4B gezeigt ist.
Die Art der Abgase, die durch Aluminiumoxid behandelt werden, hängt von der Zusammensetzung der Kohlenwasserstoffrückstände am Ausgang des Motors ab.
In einer ersten Variante handelt es sich bei den Kohlenwasserstoff-Rückständen am Ausgang des Motors im Abgas im wesentlichen um Propen.
In einer zweiten Variante handelt es sich bei den Kohlenwasserstoff-Rückständen am Ausgang des Motors um eine Mischung aus Propen, Propan, Toluen und Dekan in herkömmlichen Anteilen im Abgas eines Verbrennungsmotors.
Die Art der Abgase hängt ferner vom Vorhandensein oder Nichtvorhandensein des nicht-thermischen Plasmas in dem durch das Aluminiumoxid behandelten Gas ab.
Eine erste Hauptspalte "Propen" in Tabelle 1 zeigt die katalytischen Eigenschaften des Aluminiumoxids Al₂O₃ beim Vorhandensein von Propen als Haupt-Reduktionsmittel in dem Abgas am Ausgang des Motors. Eine zweite Hauptspalte "Mischung von Kohlenwasserstoffen" bezeichnet die gleichen Ei genschaften beim Vorhandensein einer Mischung von Kohlenwasserstoff-Rückständen im Abgas am Auslaß des Motors.
Eine erste Hauptzeile der Tabelle 1 "ohne Plasma" bezeichnet katalytische Eigenschaften von Aluminiumoxid (Al₂O₃) bei Abwesenheit von Plasma in den behandelten Abgasen, und eine zweite Hauptzeile "mit Plasma" bezeichnet die gleichen Eigenschaften bei Vorhandensein von Plasma.

Jede der ersten und zweiten Hauptspalten von Tabelle 1 ist eingeteilt in eine erste Spalte "Fenster (°C)", welche die thermischen Fenster der katalytischen Aktivität des Aluminiumoxid (Al₂O₃) wiedergibt, und eine Spalte "AC (%)", welche die minimale katalytische Aktivität des Aluminiumoxid (Al₂O₃) entsprechend in den thermischen Fenstern wiedergibt.

	Propen		Mischung von Kohlenwasserstoffen
	Fenster (°C)	AC (%)	Fenster (°C)	AC (%)
ohne Plasma	400–500	10	300–340 480–500	10
			340–355 440–480	30
			355–440	40
mit Plasma	200–250 345–375	20	200–250 350–500	20
	250–295	30	250–275	30
	305–345		325–350
	295–305	40	275–325	40

Tabelle 1: Katalytische Aktivität von Aluminiumoxid (Al₂O₃) als Funktion der Temperatur und der Art der behandelten Gase.

Das mittlere katalytische Element 22b des Katalysators 22 stromabwärts des stromaufwärts gelegenen katalytischen Elements 22a weist ein mittleres thermisches Fenster katalytischer Aktivität auf, das unterhalb desjenigen des stromaufwärts gelegenen ersten katalytischen Elements liegt, d. h., eine katalytische Hauptaktivität zwischen etwa 200°C und etwa 300°C mit oder ohne Plasma in den behandelten Gasen aufweist.
Dieses mittlere katalytische Element 22b wird beispielsweise gebildet durch eine Beschichtung mit einem Übergangsmetall auf Oxiden von Cer und Zirkonium.
Vorzugsweise ist das mittlere katalytische Element 22b vom Typ Rh/CeO₂-ZrO₂ und/oder Pd/CeO₂-ZrO₂.

Tabelle 2, die identisch wie Tabelle 1 aufgebaut ist, zeigt die katalytischen Haupteigenschaften, die in den 5A, 5B, 6A und 6B gezeigt sind, eines Elements der Art Pd-Rh/CeO₂-ZrO₂, in Abhängigkeit von der Temperatur und der Art des Gases, wie zuvor beschrieben.

	Propen		Mischung von Kohlenwasserstoffen
	Fenster (°C)	AC (%)	Fenster (°C)	AC (%)
ohne Plasma	210–300	10	225–250 300–350	10
	250	15	250–270 280–300	20
			270–280	23
mit Plasma	200–245 255–280	20	150–230 355–450	10
	245–255	30	230–270 280–355	20
			270–280	23

Tabelle 2: Katalytische Aktivität von Pd-Rh/CeO₂-ZrO₂ als Funktion der Temperatur der Art der behandelten Gase.

Das katalytische Element 22c stromabwärts des Katalysators 22, stromabwärts des mittleren katalytischen Elements 22b, weist ein unteres thermisches Fenster katalytischer Aktivität auf, das unterhalb desjenigen des mittleren katalytischen Elements 22b liegt, d. h. es weist eine katalytische Hauptaktivität zwischen etwa 150°C und etwa 300°C mit oder ohne Plasma in den behandelten Gasen auf.
Dieses stromabwärts gelegene Element 22c wird besipielsweise gebildet durch eine Schicht eines Edelmetalls auf Oxiden von Cer und Zirkonium.
Vorzugsweise ist das stromabwärts gelegene katalytische Element 22c von der Art Ag/CeO₂-ZrO₂.

Tabelle 3, die identisch wie Tabelle 1 aufgebaut ist, zeigt die katalytischen Haupteigenschaften, wie sie in den 7A, 7B, 8A und 8B dargestellt sind, eines Elements von der Art Ag/CeO₂-ZrO₂ als Funktion der Temperatur und der Art des Gases, wie vorstehend beschrieben.

	Propen		Mischung von Kohlenwasserstoffen
	Fenster (°C)	AC (%)	Fenster (°C)	AC (%)
ohne Plasma	200–250 300–400	10	200–250 300–400	10
ohne Plasma	250–300	18	250–300	18
mit Plasma	150–400	20	150–400	20

Tabelle 3: Katalytische Aktivität von Ag/CeO₂-ZrO₂ als Funktion der Temperatur und der Art der behandelten Gase.

Demnach sind die thermischen Fenster katalytische Aktivität der unterschiedlichen Elemente 22a, 22b, 22c komplementär und überschneiden sich in Strömungsrichtung der Abgase im Abgasstrang 16.
In Kombination der katalytischen Aktivität der einzelnen Elemente 22a, 22b, 22c des Katalysators 22 weisen diese also eine katalytische Gesam taktivität als Funktion der Temperatur und in Abhängigkeit von der Art der behandelten Abgase auf, wie sie in den 9A, 9B, 10A und 10B gezeigt ist.

Tabelle 4, die so wie Tabelle 1 aufgebaut ist, faßt die Haupteigenschaften des Katalysators 22 zusammen.

	Propen		Mischung von Kohlenwasserstoffen
	Fenster (°C)	AC (%)	Fenster (°C)	AC (%)
ohne Plasma	200–240 290–500	10	220–225 310–450	20
	240–255 265–290	20	225–260 270–310	30
	255–265	25	260–270	40
mit Plasma	150–180 340–400	10	200–220 300–450	20
	180–255 265–340	20	220–250 290–300	40
	255–265	55	250–225 265–290	50
			255–265	55

Tabelle 4: Katalytische Gesamtaktivität des Katalysators, gebildet aufeinanderfolgend in Strömungsrichtung der Gase, durch Al₂O₃, Pd-Rh/CeO₂-ZrO₂ und Ag/CeO₂-ZrO₂, als Funktion der Temperatur und der Art der behandelten Gase.

Der Katalysator 22 weist somit eine katalytische Aktivität in einem thermischen Fenster zumindest von [200–500]°C auf, was es ermöglicht, eine Behandlung des NOx in einen großen Funktionsbereich des thermischen Motors insbesondere eines Fahrzeugs zu erreichen.
Vorteilhafterweise sind die drei katalytischen Elemente Rh/CeO₂-ZrO₂ und Ag/CeO₂-ZrO₂ auf einem gemeinsamen Träger angeordnet, wie etwa Kordielit, Mullit, Karborunt (SiC), Metall oder jede Art von Substrat, die sich als Träger des Katalysators eignet.
Im folgenden wir anhand von 11 die Anordnung und die Funktion der Einheit 24 zur Steuerung der Handlung von NOx der vom Motor 10 abgegebenen Abgase erläutert.
Die Einheit 24 umfaßt Mittel 40 zur Speicherung einer ersten und einer zweiten Schwellentemperatur T1, T2.
Die Speichermittel 40 sind mit ersten und zweiten Mitteln 42, 44 zum Vergleich der Schwellentemperaturen T1, T2 mit einer jeweils stromaufwärts gemessenen Temperatur Tu und einer stromabwärts gemessenen Temperatur Td verbunden.
Die Schwellentemperaturen T1, T2 werden beispielsweise experimentell bestimmt und hängen insbesondere von der Zusammensetzung der katalytischen Elemente, ihrer Beladung mit Edelmetallen und dem Volumen des Katalysators ab, sowie von der Regelung des Motors.
Im Fall eines Katalysators, der in der Reihenfolge des Abgasstroms aufeinanderfolgend Al₂O₃ und Pd-Rh/CeO₂-ZrO₂ und Ag/CeO₂-ZrO₂, ist T1 beispielsweise gleich 200°C und T2 beispielsweise gleich 350°C.
Das Ergebnis des Vergleichs der Mittel 42, 44 wird an Mittel 46 zur Aktivierung/Deaktivierung des Reaktors zur Plasmaerzeugung weitergegeben.
Die Mittel 46 zur Aktivierung/Deaktivierung aktivieren die Hochspannungsversorgung des Reaktors zur Plasmaerzeugung, falls diese Aktivierung eine wesentliche Auswirkung auf den Zuwachs der katalytischen Aktivität des Katalysators hat, beispielsweise oberhalb 10%.
Falls die stromaufwärts und stromabwärts gemessenen Temperaturen Tu, Td kleiner sind als ihre jeweiligen Schwellentemperaturen T1, T2, wird keiner der Teile des Katalysators gezündet. Die Mittel 46 zur Aktivierung/Deaktivierung aktivieren nicht den Reaktor zur Plasmaerzeugung, und eine Bedingung zur Aktivierung des Reaktors ist, dass zumindest eine Art der katalytischen Elemente im Katalysator 22 sich in einem gezündeten Zustand befindet.
Die Stickoxide (NOx) werden somit nicht durch die nicht gezündeten katalytischen Elemente behandelt und passieren den Katalysator ohne Reduktion zur Stickstoff. Somit hat die Aktivierung des Reaktors im wesentlichen keine Wirkung auf die katalytische Aktivität des Katalysators. Diese Phase entspricht einem Kaltstart des Fahrzeugs.
Falls die stromaufwärts gemessene Temperatur Tu höher ist als die Temperatur T1 und die stromabwärts gemessene Temperatur Td kleiner ist als die Temperatur T2, werden die katalytischen Elemente gezündet, und die Mittel 46 aktivieren den Reaktor zur Plasmaerzeugung.
Somit nehmen im thermischen Fenster [200, 350]°C die drei katalytischen Elemente, einschließlich des Aluminiumoxid, dessen thermisches Fenster in den hohen Temperaturen bei nicht vorhandenem Plasma liegt, mit einer Entwicklung derselben in Richtung der noch niedrigeren Temperaturen bei Plasmaentladungen in dem Abgas, an der Reduktion des NOx in den Abgasen teil. Die Aktivierung des Reaktors hat ferner einen wesentlichen Zuwachs der katalytischen Gesamtaktivität des Katalysators von mehr als 10% zur Folge, was auch einen Mehrverbrauch von Kraftstoff rechtfertigt, der durch die Aktivität des Reaktors verursacht wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung steuern die Mittel 46 die Mittel 20 zur Versorgung des Reaktors in konstanter Weise. Beispielsweise werden die Mittel 20 zur Versorgung durch die Mittel 46 zur Aktivierung/Deaktivierung gesteuert, damit diese an die Elektroden des Reaktors eine Leistung zwischen 250 und 300 W beispielsweise abgeben.
In der Ausführungsform gemäß 11 steuern die Mittel 46 die Mittel 20 zur Versorgung in Abhängigkeit von der Menge des NOx, die in den Abgas enthalten ist und/oder der Temperatur desselben.
Die Mittel 46 nehmen den Funktionspunkt Pf des Motors auf und bestimmen beispielsweise anhand eines vorbestimmten und gespeicherten Graphen desselben die Menge des NOx, die vom Motor am Funktionspunkt emittiert wird. Die Mittel 46 steuern somit die Mittel 20 zur Versorgung des Reaktors, für den sie eine Leistung abgeben, die in Abhängigkeit von der bestimmten Menge des NOx gemessen wird, beispielsweise zunehmen mit der vom Motor abgegebenen Menge des NOx.
Falls die stromaufwärts und stromabwärts gemessenen Temperaturen Tu, Td größer sind als ihre jeweiligen Schwellentemperaturen T1, T2, deaktivieren die Mittel 46 den Reaktor zur Plasmaerzeugung. Somit weist für Temperaturen oberhalb von T2 lediglich ein katalytisches Hochtemperaturelement, nämlich Aluminiumoxid, eine katalytische Aktivität auf. Bei diesen Temperaturen ist das thermische Fenster katalytischer Aktivität von Aluminiumoxid wesentlich größer ohne Plasma als mit Plasma bei einer vorhandenen Mischung von Kohlenwasserstoffen im Abgas, wie es in den 4a und 4b dargestellt ist. Der Aktivitätszuwachs durch Aktivierung des Reaktors ist gleich Null und der Reaktor ist somit nicht für Temperaturen oberhalb von T2 aktiviert. Dies ermöglicht die Reduktion des Kraftstoffverbrauchs des Motors zur Erzeugung der erforderlichen Energie für den Betrieb der Mittel 20 zur Versorgung des Reaktors.
Die Mittel 46 sind gleichermaßen dazu vorgesehen, die Funktion der Mittel zur Versorgung des Motors und/oder der Mittel zum Lufteinlaß in den Motor zur Änderung des Gemisches von Kohlenwasserstoffen in den Abgasen zu ändern, als auch die katalytische Aktivität des Katalysators in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Abgase aus Propen oder einer Mischung von Kohlenwasserstoffen zu ändern.
Beispielsweise sind die Mittel 46 dazu geeignet, das Einspritzverhalten des Kraftstoffs in die Zylinder des Motors zu ändern, durch Steuerung einer Verzögerung des Einspritzens des Kraftstoffs in diese, oder durch Nacheinspritzen. Das Nacheinspritzen des Kraftstoffs in die Zylinder des Motors hat zur Folge, dass die Menge der im Abgas vorhandenen Kohlenwasserstoff-Rückstände vergrößert wird, was zu einer zeitweisen Vergrößerung des Verhältnisses HC/NOx des Anteils der Kohlenwasserstoff-Rückstände zum Anteil des NOx im Abgas führt, und somit zu einer Verbesserung der Umwandlung des NOx in Stickstoff.
Im folgenden wird eine Ausführungsform der Steuereinheit zur Behandlung des NOx im Abgas eines Verbrennungsmotors beschrieben.
Diese Einheit verwendet auf einfache Weise ein Verfahren zur Steuerung, welches in Abhängigkeit von der Temperatur die katalytische Aktivität eines Katalysators maximiert, der drei komplementäre katalytische Elemente enthält, in einem großen thermischen Fenster von [200, 500]°C, zur Minimierung des Mehrverbrauchs von Kraftstoff, der durch die Verwendung eines Reaktors zur Plasmaerzeugung verursacht wird.
In einer Abwandlung kann das erfindungsgemäße System einen einzigen Messfühler umfassen, der stromaufwärts des Katalysators angeordnet ist, und eine Steuereinheit ist dazu vorgesehen, diese gemessene Temperatur mit den vorstehend erwähnten Schwellentemperaturen zu vergleichen, zur Steuerung der Mittel zur Versorgung des Reaktors analog zur bereits beschriebenen Weise.
Die Anbringung von zwei stromaufwärts und stromabwärts angeordneten Messfühlern führt zu einer genaueren Steuerung, und die stromabwärts gemessene Temperatur entspricht im wesentlichen derjenige am letzten katalytischen Element des Katalysators, was somit eine Steuerung nahe der Temperatur desselben ermöglicht.
In einer Abwandlung kann der Katalysator zwei oder mehr Teile an Arten katalytischer Elemente enthalten.
Eine weitere Abhandlung besteht darin, die katalytischen Elemente vom Typ Ag/CeO₂-ZrO₂ und Pd-Rh/CeO₂-ZrO₂ durch ein Material zu ersetzen, das keine Edelmetalle enthält, wie beispielsweise zwei Elemente vom Typ CeO₂-ZrO₂, so dass die Kosen des Systems wesentlich aufgrund der Abwesenheit von Edelmetallen gesenkt werden.
Beispielsweise enthält der Katalysator einen Teil mit Aluminiumoxid (Al₂O₃) stromaufwärts eines Teils mit CeO₂-ZrO₂.

Claims

System zur Behandlung von Stickoxiden oder NOx im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors (10) eines Kraftfahrzeugs, welches System in einem Abgasstrang (16) Mittel (18) zur Erzeugung eines nicht-thermischen Plasmas aus den am Einlaß aufgenommenen Abgasen und Mittel (22) zur Bildung eines Katalysators zur Verminderung von NOx enthalten, welche am Auslaß der Mittel zur Plasmaerzeugung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Bildung des Katalysators unterschiedliche Arten von katalytischen Elementen enthalten, welche unterschiedliche thermische Fenster katalytischer Aktivität aufweisen, welche katalytischen Elemente in der Strömungsrichtung des Gases in absteigender Reihenfolge der Temperaturen der thermischen Fenster katalytischer Aktivität angeordnet sind, welches System unter anderem umfaßt: – erste Mittel (26) zur Aufnahme der Temperatur des Abgases stromaufwärts der Mittel zur Bildung des Katalysators; und – Mittel (24) zur Steuerung der Mittel (18) zur Plasmaerzeugung entsprechend der aufgenommenen Temperatur zur Optimierung der Reduktion des NOx bei dieser Temperatur, welche Mittel (24) zur Steuerung die Mittel (18) zur Plasmaerzeugung derart aktivieren, dass bei der aufgenommenen Temperatur der gesamte Zuwachs katalytischer Aktivität der jeweiligen Aktivierung größer ist als eine vorbestimmte Schwelle.
System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arten katalytischer Elemente derart ausgebildet sind, dass das thermische Fenster der gesamten katalytischen Aktivität der Mittel zur Bildung des Katalysators ein Fenster von 200°C bis 500°C umfaßt.
System gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytischen Elemente aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Al₂O₃ oder CeO₂-ZrO₂ besteht, dass mit einem Übergangsmetall oder Edelmetall imprägniert ist.
System gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytischen Elemente in der Strömungsrichtung des Abgasstroms aufeinanderfolgend aus Al₂O₃, Rh-Pd/CeO₂-ZrO₂ oder Ag/CeO₂-ZrO₂ bestehen.
System gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytischen Elemente auf einem einheitliche Träger angeordnet sind.
System gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der einheitliche Träger aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Cordierit, Mullit, SiC oder Metall gebildet wird.
System gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytischen Elemente aus der Gruppe ausgewählt sind, die Al₂O₃ und CeO₂-ZrO₂ umfaßt.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (18) zur Erzeugung nicht-thermischen Plasmas im Inneren der Mittel (22) zur Bildung des Katalysators angeordnet sind.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zweite Mittel (28) zur Temperaturaufnahme stromabwärts der Mittel (22) zur Bildung des Katalysators, wobei die Steuermittel (24) Mittel (46) zur Bestimmung des Anregungszustands der Arten katalytischer Elemente in Abhängigkeit von den aufgenommenen Temperaturen umfassen, und dass eine Bedingung zur Aktivierung der Mittel (18) zur Plasmaerzeugung darin besteht, dass zumindest eine Art von katalytischem Element angeregt ist.
System gemäß Anspruch 9 in Verbindung mit einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel Mittel (42, 44) zum Vergleich der stromaufwärts gemessenen und stromabwärts gemessenen Temperaturen mit jeweils vorbestimmten ersten und zweiten Schwellentemperaturen umfassen, und dass – in dem Fall, in welchem die stromaufwärts gemessenen und stromabwärts gemessenen Temperaturen kleiner sind als ihre jeweiligen Schwellentemperaturen, die Mittel zur Plasmaerzeugung inaktiv sind; – in dem Fall, in welchem die stromaufwärts gemessene Temperatur grösser ist als die erste Schwellentemperatur und die stromabwärts gemessene Temperatur kleiner ist als die zweite Schwellentemperatur, die Mittel zur Plasmaerzeugung aktiv sind; und – in dem Fall, in welchem die stromaufwärts und stromabwärts gemessenen Temperaturen höher sind als ihre jeweiligen Schwellentemperaturen, die Mittel zur Plasmaerzeugung inaktiv sind.
System gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Schwellentemperaturen jeweils im Bereich von 200°C bis 350°C liegen.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel (24) unter anderem dazu vorgesehen sind, die Kraftstoffversorgung der Zylinder des Motors (10) und/oder die Luftfördermenge in den Motor (10) zur Veränderung der Zusammensetzung der Kohlenwasserstoffe der Abgase am Auslaß des Motors zu steuern.