DE60210293T2 - Benzinmotor mit abgasanlage zur verbrennung von partikeln - Google Patents

Benzinmotor mit abgasanlage zur verbrennung von partikeln Download PDF

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Margaret Julia EVANS
Stephen Poulston
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgassystem zur Behandlung von Abgasen aus einem Ottomotor oder Benzinmotor, und insbesondere betrifft sie ein Abgassystem zum Einfangen oder Abscheiden und Verbrennen von feinen Feststoffen oder Partikeln oder Feinstaub in dem Abgas.
  • Es ist weithin bekannt, dass gasgetragene Partikeln oder Schwebstaub Gesundheitsprobleme verursachen können/kann, wenn sie/er eingeatmet oder inhaliert werden/wird. Es ist auch weithin bekannt, dass Dieselmotoren Partikeln oder Schwebstaub oder Feststoffe emittieren, insbesondere beim Start und unter schwerer Belastung, und dies kann mit dem bloßen Auge beobachtet werden. Die Besorgnis über Partikeln oder Feststoffe oder Schwebstaub führte zur Einführung verschiedener nationaler oder europäischer Regulierungen, um die Menge von Partikeln oder Staub, ausgestoßen aus Dieselmotoren, einzuschränken oder zu kontrollieren oder zu regeln. Johnson Matthey patentierte und führte kommerziell eine Vorrichtung ein, die als ein CRT® für Dieselmotoren bezeichnet wird, insbesondere Schwerlastdieselmotoren oder Hochleistungsdieselmotoren (heavy-duty diesel engines) ((wie definiert von der relevanten Europäischen, US- oder kalifornischen Gesetzgebung) siehe EP 0 341 832 B und US 4 902 487 A ), wodurch eine sich selbst regenerierende Dieselfiltervorrichtung verfügbar gemacht wurde.
  • Es wird jedoch im Allgemeinen nicht willkommen geheißen, dass viele moderne Ottomotoren oder Benzinmotoren eine große Zahl von sehr kleinen (<0,1 μm, im Allgemeinen 10 bis 100 nm) Feststoffen (PM) oder Feinstaub emittieren oder ausstoßen, die/der wegen der geringen Größe mit dem bloßen Auge nicht beobachtet werden kann. Außerdem ist die Größe dieser PM dennoch so, dass sie inhaliert oder eingeatmet werden können in die tiefsten Nischen oder Vertiefungen der Lungen und sogar noch gefährlicher sein können, als die PM aus Dieselmotoren. Tatsächlich stellen PM, wie berichtet in den Proceedings from the 2nd International Conference on Health Effects of Vehicle Emissions, Hrsg. K. Donaldson (2000), eine bedeutende Bedrohung für die Gesundheit im Vereinigten Königreich (UK) dar. Man glaubt, dass über 8.000 Todesfälle mit dieser Form von Emission in Verbindung stehen. Es wurde vorgeschlagen, dass Partikeln im Größenbereich von 10 bis 100 nm, von denen 60% davon, die in der Atmosphäre sind, aus Fahrzeugen stammen, tief ins Innere der Lungen eindringen, was eine Atemwegserkrankung und cardiovaskuläre Erkrankung verursacht.
  • Wir glauben, dass die neuesten Typen von Magerverbrennungsottomotoren oder Magerverbrennungsbenzinmotoren, wie solche mit Direkteinspritzung, z.B. GDI, und direkt einspritzende Ottomotoren (direct injection spark-ignition) (DISI), große Mengen an feinen PM erzeugen. Wir glauben außerdem, dass die Treibstoffwirksamkeit von solchen Magerverbrennungsottomotoren zu ihrer zunehmenden Verwendung in Privatfahrzeugen und kleinen Lieferwagen oder kleinen Gebrauchsfahrzeugen führen wird. Die neueste Forschung zeigt auch an, dass es eine beträchtliche PM-Erzeugung gibt aus einer Mündungs- oder Anschluss(port)-Kraftstoffeinspritzung oder stöchiometrisch betriebenen (Luft-/Treibstoffverhältnisse von etwa 14,7:1) Ottomotoren bei hoher Belastung, wie während eines Fahrens mit hoher Geschwindigkeit oder bei einem Hinauffahren eines steilen Anstiegs oder Gefälles. Insbesondere wird bei solch hohen Belastungen gefunden, dass die Anzahl von PM in dem Abgas äquivalent ist zu einem normal betriebenen Dieselmotor, obwohl die Masse der PM viel niedriger ist als in dem Dieselabgas. (Siehe „Study of the number, size and mass of exhaust particles emitted from European Diesel and Gasoline vehicles under steady-state and European driving cycle conditions", Concawe, Bericht Nr. 98/51).
  • Typischerweise liegen die mittleren Abgastemperaturen für einen stöchiometrisch betriebenen Ottomotor oder Benzinmotor zwischen 600 bis 800°C und für einen GDI zwischen etwa 300 bis 550°C, obwohl bei hoher Geschwindigkeit GDI-Motoren zurückkehren können zu einem stöchiometrischen Betrieb und heißere Abgastemperaturen erreicht werden. Die Abgastemperaturen aus Dieselmotoren sind jedoch viel kühler als von Ottomotoren. Typischerweise liegen bei Personenfahrzeugen, die Leichtlastdieselmotoren einsetzen, die Abgastemperaturen in dem Bereich von 200 bis 350°C und bei einer Schwerlast- oder Hochleistungsdieselanlage bei etwa 200 bis 550°C.
  • Bei dem Bestreben Benzin-PM zu verbrennen ist ein Problem, dass die Menge an verfügbarem Oxidationsmittel in dem Abgas zur Verbrennung der PM stromabwärts von oder nachgeschaltet zu von einem Drei-Weg-Katalysator (TWC) im Allgemeinen sehr gering ist mit etwa 0,03 Vol.-% (% v/v) (300 ppm). Im Vergleich dazu schließt Dieselabgas typischerweise zwischen 2 bis 12 Vol.-% (% v/v) O2 ein bei einem maximalen Ausstoß (von bis zu 18 Vol.-% 02 im Leerlauf). Moderne Benzinfahrzeuge schließen stöchiometrische und Magerverbrennungsmotoren ein, die typischerweise einen TWC einschließen in der nahe gekoppelten (close-coupled) Anordnung oder Position, das heißt nahe oder geschlossen zu dem Auspuff- oder Abgaskrümmer oder -endrohr. Dies dient dazu, das Abgas zu behandeln in dem Zeitraum, der unmittelbar auf den Start folgt, wobei der nahe gekoppelte Katalysator seinen Nutzen zieht aus der Wärme, die erzeugt wird durch den Verbrennungsvorgang, um schneller die Anspringtemperatur (light-off temperature) zu erreichen, als ein Katalysator in der Unterbodenanordnung oder -position.
  • Zwei mögliche Quellen von Sauerstoff in Benzinabgas schließen Wasserdampf (vorliegend mit etwa 9 Vol.-%) und Kohlendioxid (etwa 18 Vol.-%) ein. Das Verfahren der Verwendung von Wasserdampf als Oxidationsmittel ist bekannt als Dampfvergasung und die Boudouard-Gleichgewichtsreaktion ist der Begriff, der der Oxidation von Spezies mit CO2 gegeben wird. Die allgemeinen Gleichungen für die Gasverdampfung von kohlenstoffhaltigen PM werden dargestellt durch die Gleichungen (1), (2) und (3) und die Boudouard-Gleichgewichtsreaktion durch die Gleichung (4). C(s) + 2H2O(g) → CO2(g) + 2H2(g) (1) 2C(s) + 2H2O(g) → CO2(g) + CH4(g) (2) C(s) + H2O(g) → CO(g) + H2(g) (3) C(s) + CO2(g) → 2CO(g) (4)
  • Eine übliche Vorrichtung unter Verwendung elektrostatischer Felder, um suspendierte Partikeln oder Teilchen aus einem Gas zu entfernen, ist als elektrostatischer Präzipitator (ESP) oder elektrostatischer Kristallisator bekannt. Partikel, die in einen ESP eintreten, werden in einem elektrischen Feld geladen und werden dann auf eine Oberfläche von entgegengesetzter Polarität bewegt, wobei eine Abscheidung auftritt. Elektrostatische Präzipitatoren bestehen hauptsächlich aus einem geerdeten Zylinder (der Sammelelektrode) und einem koaxialen Hochpotenzialdraht (der Koronaentladungselektrode oder Koro naableitungselektrode). Ein alternativer Grundaufbau besteht aus zwei geerdeten parallelen Platten (der Sammelelektrode) zusammen mit einem Array oder Feld oder einer Anordnung von parallelen Ableitungsdrähten, die in einer Ebene in der Mitte zwischen den Platten montiert sind. Wenn eine ausreichende Potenzialdifferenz besteht zwischen den Entladungs- und den Sammelelektroden, bildet sich eine Koronaentladung oder Koronaableitung. Die Korona dient als reichhaltige Quelle von einheitlich polaren Ionen mit dem gleichen Vorzeichen, wie dem der Entladungselektrode; die Aerosolpartikel werden dann geladen durch Ionenstoß oder Ionenkollision und von der Sammelelektrode angezogen.
  • Die GB 2 232 613 A beschreibt einen Katalysator für die Oxidation von kohlenstoffhaltigen Partikeln, die getragen werden in einer gasförmigen Phase oder Gasphase und zeigt beispielhaft seine Verwendung bei der Behandlung von Dieselmotorabgasemissionen. Der Katalysator umfasst Ceroxid und ein keramisches Oxid (vorzugsweise Aluminiumoxid) mit einer Verbindung von einem Element der Gruppe 1A des Periodensystems der Elemente. Der Katalysator wird hergestellt durch Vereinigen oder Kombinieren eines Sols des keramischen Oxids mit einem des Cer(IV)-oxids und dann ein Zugeben einer Dispersion einer Verbindung der Gruppe 1A. Dieses Gemisch wird auf ein Substrat geschichtet, getrocknet und calciniert. Ein Beispiel ist beschrieben, bei dem die Verbindung aus der Gruppe 1A für K2O oder Rb2CO3 steht. Die Anfangstemperatur (definiert als die Temperatur, bei der Kohlenstoff gerade beginnt signifikant zu oxidieren und zu CO2 zu verbrennen) für PM, gesammelt aus einem Dieselmotor, beträgt 364°C bzw. 335°C. Das Dokument nennt keine Ottomotoren oder Benzinmotoren als Quelle für PM oder die Verwendung der beschriebenen Katalysatoren zur Behandlung von PM, die aus Benzin stammen.
  • Die US 5 837 212 A offenbart eine Mager-NOx-Falle oder einen Mager-NOx-Abscheider, umfassend einen porösen Träger, und Katalysatoren, bestehend aus Mangan und Kalium, die auf den Träger geladen sind. Während des Betriebs der Magerverbrennung des Motors sorbiert die Falle oder der Abscheider NOx und gibt NOx frei während einer verringerten Sauerstoffkonzentration in dem Abgas. Es gibt keinen Vorschlag in dem Dokument, dass die Katalysatoren verwendet werden können in Verbindung mit einer Benzinteilchenfalle oder einem Benzinteilchenabscheider.
  • Die US 6 038 854 A beschreibt ein Verbrennungsabgas, das verbunden ist durch ein Rohr mit einer Kammer, wo Kohlenstoff enthaltende Partikel elektrostatisch gefangen oder abgeschieden oder filtriert werden, und ein nicht thermisches Plasma NO in NO2 überführt in Gegenwart von O2 und Kohlenwasserstoffen. Flüchtige Kohlenwasserstoffe (CxHy) aus den gefangenen oder abgeschiedenen Partikeln reagieren mit dem NO2, um NO2 in N2 zu überführen, und den Ruß in CO2. Veranschaulichte Ausführungsformen schließen eine(n) plasmaunterstützte(n) Partikelfalle oder Partikelabscheider ein; einen Plasmareaktor stromaufwärts von oder vorgeschaltet vor einer Partikelfalle oder einem Partikelabscheider; einen Plasmareaktor stromaufwärts von oder vorgeschaltet vor einem Partikelfallenreaktor, der stromaufwärts ist von einem katalytischen Reaktor; und eine Partikelfalle oder einen Partikelabscheider, die/der zylindrisch konzentrisch ist über einem Plasmareaktor darin und gegebenenfalls einen Katalysator aufweist, der zylindrisch konzentrisch ist über dem Abscheider oder der Falle.
  • Die EP 1 057 519 A offenbart eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Wir fanden nun sehr überraschend, dass Katalysatoren, die mindestens ein Alkalimetall umfassen, wirksam sind zur Oxidation von Benzin-Feststoffen oder Benzin-PM mit CO2 und H2O aus dem Ab gas, das behandelt worden ist mit einem Drei-Weg-Katalysator (TWC) bei Temperaturen innerhalb des typischen Temperaturbereichs von Abgas aus einem Ottomotor oder Benzinmotor. Mit einem „Ottomotor" oder „Benzinmotor" schließen wir hierin sowohl stöchiometrische Motoren als auch Magerverbrennungsmotoren ein, wie Direkteinspritzungsbenzinmotoren, z.B. GDI- und DISI-Motoren.
  • Gemäß einem Gesichtspunkt stellt die Erfindung einen Ottomotor bereit mit einem Abgassystem, wobei das Abgassystem eine Einrichtung zur Abscheidung von Feststoffen (PM) aus dem Abgas und einen Katalysator umfasst, der ein geträgertes Alkalimetall zum Katalysieren der Oxidation von den PM umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgassystem einen Drei-Weg-Katalysator umfasst, der zwischen dem Motor und dem PM Oxidationskatalysator angeordnet ist und dass die Abscheidungseinrichtung geeignet ist zur Abscheidung von PM von < 100 nm.
  • Wir glauben, dass bei der Verwendung das mindestens eine Alkalimetall vorliegen kann als elementares Metall, Oxid, Hydroxid oder Carbonat, obwohl es möglicherweise auch als Nitrat oder Sulfat vorliegt. Während die Katalysatoren der Erfindung insbesondere geeignet sind zur Katalyse der Oxidation von PM mit CO2 und/oder H2O wird erkannt werden, dass solche Katalysatoren auch im Stande sind zur Katalyse der Oxidation von PM mit beliebigem O2, der in dem Abgas vorliegt, z.B. wie es ersichtlich ist aus der GB 2 232 613 A . Die Verbrennung von PM in O2 kann bei niedrigeren Temperaturen stattfinden als in CO2 und H2O.
  • Vorzugsweise steht das mindestens eine Alkalimetall für Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium oder Cäsium oder ein Gemisch von beliebigen zwei oder mehreren davon, vorzugsweise für Kalium. Wenn das mindestens eine Alkalimetall ein Gemisch ist, bevorzugen wir, dass das Gemisch ein eutektisches Gemisch ist.
  • Das elementare Alkalimetall kann in dem Katalysator mit von 1 Gew.-% bis 20 Gew.-% des gesamten Katalysators, vorzugsweise von 5 Gew.-% bis 15 Gew.-% und am meisten bevorzugt 10 Gew.-% vorliegen.
  • Der Träger für das mindestens eine Alkalimetall kann Aluminiumoxid, Ceroxid, Zirconiumoxid, Titanoxid, ein Siliciumoxid-Aluminiumoxid, ein Zeolith oder ein Gemisch oder ein gemischtes Oxid von zwei beliebigen oder mehreren davon sein. Vorteilhaft bevorzugen wir, dass die Oberfläche des Trägers so gering wie möglich ist. Dies deswegen, weil wir glauben, dass der Alkalimetallkatalysator mobil sein kann, z.B. geschmolzen, bei seinen Arbeitstemperaturen. Wenn der Träger porös ist, kann das mobile Alkalimetall in die Poren wandern weg von der Oberfläche des Trägers, was wirksam die Oberfläche des Alkalimetalls verringert und damit die Wirksamkeit des Katalysators. Daher bevorzugen wir, wenn der Träger für Aluminiumoxid steht, alpha-Aluminiumoxid (Oberfläche 1 bis 5 m2 g–1) oder theta-Aluminiumoxid (90 m2 g–1) zu verwenden, obwohl gamma-Aluminiumoxid (140 m2 g–1) auch verwendet werden kann, oder ein Gemisch von beliebigen zwei oder mehreren davon.
  • Besonders bevorzugt steht das mindestens eine Alkalimetall für Kalium, und der Träger steht für alpha-Aluminiumoxid, Zirconiumoxid oder Ceroxid oder ein Gemisch oder gemischtes Oxid von beliebigen zwei oder mehreren davon.
  • Wenn der Träger für ein gemischtes Oxid steht, kann jeder Bestandteil des Oxids von dem gemischten Oxid in einer Menge von 10 Gew.-% bis 90 Gew.-% des gesamten Katalysatorgewichts vorlie gen. In einem binären gemischten Oxid kann z.B. das Verhältnis der kationischen Bestandteile von zwischen 20:80 Gew.-% und 50:50 Gew.-% des gesamten Katalysators betragen.
  • Das Substrat für das geträgerte mindestens eine Alkalimetall kann die innere Oberfläche einer Leitung oder eines Rohrs oder einer Leitungsröhre sein, die das Abgas trägt oder leitet, wobei die Leitung aus Metall sein kann oder keramisch oder ein Metall oder keramischer Durchfluss(Flow-Through)- oder Wall-Flow-Filtermonolith, ein Schaum, z.B. Metalloxidschaum, oder Drahtgeflecht.
  • Die Einrichtung zum Abscheiden oder Einfangen kann eine beliebige Apparatur umfassen, die geeignet ist zur Abscheidung der PM der geeigneten Partikelgröße oder Teilchengröße, z.B. zwischen etwa 10 bis 100 nm. Solche Einrichtungen können einen Wall-Flow-Filter einschließen, der hergestellt ist aus einem keramischen Material von geeigneter Porengröße, wie Cordierit. Wenn ein Filter verwendet wird, kann der Filter beschichtet sein, zumindest teilweise mit dem Katalysator, um einen Kontakt zwischen dem Katalysator und den PM zu bewirken.
  • Alternativ oder bei einer weiteren Ausführungsform kann die Abscheidungseinrichtung einen Schaum umfassen, z.B. einen Metalloxidschaum, wobei der Schaum als Filter wirken kann. Der Schaum an sich kann den Träger umfassen, das heißt der Schaum ist sowohl Träger als auch Substrat, oder der Schaum kann das Substrat und ein Träger sein, z.B. umfassend eine Metalloxidgrundierung oder Metalloxid-Washcoat mit großer Oberfläche, kann darauf beschichtet sein. Ein beliebiger geeigneter Metalloxidschaum kann verwendet werden, wir bevorzugen aber Materialien, die ausreichende Robustheit aufweisen für die Verwendung in Abgassystemen. Nicht beschränkende Beispiele von Schäumen schließen alpha-Al2O3, ZrO2/MgO, ZiO2/CaO/MgO und ZrO2/Al2O3 ein.
  • Ein weiteres Substrat ist ein Drahtgeflecht oder Drahtgitter, und dies kann den Träger umfassen, das heißt das Drahtgeflecht kann sowohl Träger als auch Substrat sein, oder es kann ein Substrat sein, auf das ein Katalysatorträger beschichtet ist. Wenn das Drahtgeflecht sowohl Träger als auch Substrat ist, kann eine geeignete Vorbehandlung des Drahtgeflechts verwendet werden, um die Beschichtung auf oder für das Drahtgeflecht zu „verschlüsseln" oder „einzugeben" („key"). Solche Techniken sind in der Technik bekannt und schließen eine Solgrundschicht- oder eine NaOH(aq)-Oberflächenbehandlung ein. Diese Techniken können auch verwendet werden, um den Katalysator auf Metalloberflächen zu „verschlüsseln" oder „einzugeben", wie den Durchflussmonolith oder die oben beschriebenen Rohrleitungsoberflächen.
  • Alternativ oder bei einer weiteren Ausführungsform kann eine üblichere Filtertechnologie, wie Wall-Flow-Filter, die für Dieselanwendungen verwendet werden und Leuten vom Fach gut bekannt sind, als Katalysatorträger eingesetzt werden. Eine weitere, weniger bevorzugte, Abscheidungseinrichtung verwendet Thermophorese und ist beschrieben in unserer GB 2 350 804 A .
  • Alternativ oder bei einer weiteren Ausführungsform oder zusätzlich kann die Abscheidungseinrichtung eine Entladungselektrode und eine Sammelelektrode umfassen zur elektrostatischen Abscheidung der PM und eine Strom- oder Spannungseinrichtung zur Anwendung einer Potenzialdifferenz zwischen der Entladungselektrode und der Sammelelektrode, das heißt das Abscheidungsverfahren setzt eine Elektrophorese ein.
  • In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können Geometrien der Entladungs- und Sammelelektroden einschließen: (i) einen ersten Zylinder und einen Draht, der koaxial darin angeordnet ist; (ii) in einer Variation der Ausführungsform von (i) eine Vielzahl von weiteren Drähten, die sich longitudinal in Bezug auf den Zylinder erstrecken, wobei die Drähte äquidistant angeordnet sind und radial um den koaxial angeordneten Draht; (iii) in einer Variation der Ausführungsformen zu (i) und (ii) umfasst der erste Zylinder Innen- und Außenflächen und eine Isolationsschicht ist dazwischen angeordnet, wobei der erste Zylinder koaxial angeordnet ist innerhalb eines zweiten Zylinders, wobei die Anordnung so ist, dass die Strom- oder Spannungseinrichtung im Stande ist eine Potenzialdifferenz zwischen dem koaxialen Draht und der Innenfläche des ersten Zylinders und zwischen der Außenfläche des ersten Zylinders und des zweiten Zylinders anzuwenden oder aufzulegen; (iv) eine Vielzahl von ersten und zweiten Zylindern der Ausführungsform (i), (ii) oder (iii) oben parallel angeordnet; und (v) ein Paar von Platten, die parallel zueinander angeordnet sind, und eine Vielzahl von Drähten, die äquidistant parallel zueinander angeordnet sind, und in der Mitte zwischen den Platten angeordnet sind.
  • In einer Ausführungsform gemäß der Erfindung kann die Sammelelektrode in der elektrophoretischen Abscheidungseinrichtung geerdet sein. In der obigen Ausführungsform (i), (ii) und (iv) kann die Sammelelektrode der oder jeder erste Zylinder sein; in der Ausführungsform (iii) kann die Sammelelektrode die Innenfläche des ersten Zylinders und des zweiten Zylinders sein; und in der Ausführungsform (v) können die Sammelelektroden die Platten sein.
  • In den Ausführungsformen des elektrophoretischen Abscheiders der vorliegenden Erfindung kann der Katalysator beschichtet sein, zumindest zum Teil, auf der Sammelelektrode.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der erste oder der zweite Zylinder ein Abschnitt des Auspuffrohrs, das das Abgas trägt. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass sie relativ unaufdringlich ist für die typische Konfiguration eines Fahrzeugabgassystems, das heißt das Vorliegen der koaxialen Drähte oder des koaxialen Drahts und der Einrichtung zum Halten des koaxialen Drahts in seiner koaxialen Anordnung und zum Halten von beliebigen zusätzlichen Drähten parallel dazu, z.B. keramische Isolatoren oder keramische Röhren oder Rohre, verändern den Druckabfall oder Druckverlust in dem Abgasrohr nicht. Demzufolge gibt es wenig oder keine Auswirkung auf die Wirksamkeit des Motors.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, die eine elektrostatische Abscheidungseinrichtung oder Falle oder einen elektrostatischen Abscheider einschließt, wie die Zylinder-Draht-Ausführungsformen, ist, dass sie einen relativ niedrigen Strom- oder Leistungsverbrauch aufweisen, z.B. etwa 10W, daher gibt es eine minimale Auswirkung auf die Gesamtwirksamkeit des Fahrzeugs.
  • Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt stellt die Erfindung ein Verfahren bereit zum Verbrennen von PM aus einem Benzinmotor oder Ottomotor, gekennzeichnet durch Kontaktieren des Abgases mit einem Drei-Weg-Katalysator (TWC), Abscheidung von PM von < 100 nm aus dem Abgas nachgeschaltet zu oder stromabwärts von dem TWC und Verbrennen der abgeschiedenen PM in CO2 und/oder H2O in dem Abgas unter Verwendung eines Katalysators, der ein geträgertes Alkalimetall umfasst, bei Temperaturen von mehr als 500 °C, z.B. 550°C, 600°C oder 700°C.
  • Damit die Erfindung noch besser verstanden wird, werden die folgenden Beispiele zur Veranschaulichung bereitgestellt, wobei Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
  • 1 ein Säulendiagramm der Temperatur (°C) ist gegen eine Sauerstoffquelle zum Vergleich der Wirksamkeit eines 10 Gew.-% K/Ceroxid Katalysators mit einer Kontrolle;
  • 2 ein schematisches Diagramm ist eines Laborsimulationsprüfstands zur Einfang- oder Abscheidungsbewertung;
  • 3 eine Verfolgung ist, die die Zeit-aufgelöste Partikelzahldichte aus den vier Phasen oder Stadien (Kanälen) geringster Größe von einem elektrischen Niederdruckimpinger (electrical low pressure impactor) (ELPI) zeigt, während 5 min Zeiträumen eines nominalen Gleichgewichtstests bei der äquivalenten Straßengeschwindigkeit von 80 km/h, geleistet von einem 1,8 l GDI Motor, der ausgestattet ist mit einem Wall-Flow-Partikelfilter;
  • 4 die Wall-Flow-Filterleistung zeigt: Zeitveränderung der Partikelzahldichte des Systems der 3 über die letzten 10 min des Europäischen ECE und EUDC Fahrzyklus für zwei Größen (in nm), angegeben durch Zahlen neben den Kurven;
  • 5 ein Säulendiagramm ist, das die Leistung zeigt von einem elektrostatischen Zylinder-Draht-Präzipitator, um PM einzufangen oder abzuscheiden von vier Größen (in nm), gemessen am Zylinderauslass über einen Bereich von Potenzialdifferenzen, die angewendet werden zwischen dem geerdeten Zylinder und dem Draht in Bezug auf eine Kontrolle; und
  • 6 die Leistung zeigt, wie sie dargestellt wird durch % Sammelwirksamkeit nach Anzahl gegen Mobilitätsdurchmesser D p (nm) von einer Draht-Zylinder-Falle oder einem Draht-Zylinder-Abscheider, wobei die Innenfläche des Zylinders beschichtet ist mit einem Katalysator gemäß der Erfindung im Vergleich zu einer identischen nicht beschichteten Vorrichtung.
  • Beispiel 1
  • Katalysatorherstellung
  • Ein 10 Gew.-% K/Al2O3, 10 Gew.-% K/CeO2 und 10 Gew.-% K/ZrO2 (als das elementare Alkalimetall, bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators) wurde hergestellt durch nasse Imprägnierung. In jedem Fall war das Imprägnierungsmedium eine wässrige Lösung von KNO3. Ein Gemisch der richtigen Mengen des Trägers und der Imprägnierungslösung wurde erwärmt, um das Wasser zu verdampfen, und das Material wurde bei 500°C über einen Zeitraum von 2 h calciniert. Drei Aluminiumoxidträger wurden verwendet: alpha-, theta- und gamma-. Wir verstehen, dass das Alkalimetall vorliegt als K2O in jedem Katalysator, obwohl etwas restliches KNO3 vorliegen kann nach einer Calcinierung.
  • Beispiel 2
  • Katalysatoralterung
  • Geperlte Katalysatoren von Beispiel 1 wurden gealtert in einem simulierten stöchiometrischen Benzinabgasgemisch aus Stickstoff, Wasser, Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Sauerstoff, Schwefeldioxid bei 850°C über einen Zeitraum von 2 h und 16 h.
  • Beispiel 3
  • Herstellung von Katalysator-/Feststoffproben
  • Ein frischer Katalysator aus Beispiel 1 und gealterter Katalysator aus Beispiel 2 wurden jeweils mit etwa 30 bis 40 Gew.-% kohlenstoffhaltigen PM (BP2000 – Graphit hoher Oberfläche, einem Nachahmer für Benzinabgas-PM) leicht in einem Mörser mit Pistill gemischt, um ein gründliches Mischen zu gewährfeisten. Ein leichtes Mischen wurde eingesetzt, um reale Bedingungen in einem Abgassystem zu simulieren, in dem die Benzin-PM locker oder lose eine Abscheidungseinrichtung kontaktieren, die einen Katalysator einschließt. Auf diese Weise wurde ein schweres oder heftiges Schleifen oder Reiben vermieden, was einen zu engen Kontakt zwischen den PM und dem Abscheider oder der Falle fördern würde.
  • Beispiel 4
  • Tests der Proben
  • Die Proben aus Beispiel 3 wurden getestet in synthetischen Gasströmen, die Sauerstoff, Wasser oder CO2 einschlossen, um die Temperatur und Konzentration von Sauerstoff, Wasser und CO2-Bestandteilen, die in Benzinabgas gefunden werden, zu simulieren. Dieser Ansatz hat den Vorteil, dass die Oxidation in Sauerstoff und die Dampfvergasung und Boudouard-Gleichgewichtsreaktionen isoliert untersucht werden können, während in der Praxis das Abgas ein Gemisch von Sauerstoff, Wasserdampf und CO2 unter anderen umfasst, und die drei Verfahren gleichzeitig stattfinden können.
  • Die Proben von Beispiel 3 wurden getestet unter Verwendung einer thermogravimetrischen Analyse (TGA), um die Temperatur zu bestimmen, bei der ein beträchtlicher Gewichtsverlust der Proben auftrat, was den Punkt anzeigt, an dem eine Verbrennung oder eine andere Phasenveränderungs innerhalb jeder Probe stattfand. Die Technik arbeitet unter Verwendung einer Mikrobalance oder Mikrowaage, die eine Gewichtsveränderung als Funktion der Temperatur misst. Wenn die Verbrennungstemperatur erreicht wird, wird der Kohlenstoff entfernt entweder als CO2 oder CO, und daher nimmt das Gewicht der Probe ab.
  • Eine Temperatur programmierte Oxidation (TPO) wurde verwendet, um den Effekt oder die Wirkung von Wasser als Quelle von Sauerstoff für die Verbrennung zu messen. Die TPO schließt ein Leiten von Helium durch einen Wassersättiger bei Raumtemperatur ein und dann über den Katalysator. Die Erzeugung von CO2 und CO wird dann überwacht als Funktion der Temperatur.
  • Die Bedingungen, die für jede dieser Techniken eingesetzt werden, sind in der Tabelle 1 beschrieben.
  • Tabelle 1 Bedingungen, die eingesetzt werden für die Verbrennungsreaktionen
    Figure 00080001
  • Die Ergebnisse der Proben sind angegeben in den beigefügten Tabellen 2, 3 und 4. Die 1 fasst die Ergebnisse zusammen für 10 Gew.-% K/Ceroxid, die zeigt, dass die Temperaturen zur Verbrennung von PM in Sauerstoff, Wasser und CO2 innerhalb der normalen Betriebstemperatur von einem Benzinabgassystem für ein europäisches Personenfahrzeug liegen.
  • Reaktionen oder Umsetzungen, die Gasphasenreaktanten einschließen, können herkömmliche heterogene Katalysatoren verwenden. Katalysatoren zum Umsetzen von festem Kohlenstoff mit Kohlendioxid, Dampf oder Sauerstoff weisen jedoch vorzugsweise verschiedene Eigenschaften oder andere Eigenschaften auf, als herkömmliche heterogene Katalysatoren. Um die Reaktion mit festem Kohlenstoff zu katalysieren, wird verstanden, dass der Katalysator in Kontakt kommen sollte mit dem Kohlenstoffmaterial, um eine Grenzfläche zu erzeugen, durch die Sauerstoff übertragen werden kann. Um dies zu erreichen, ist es bevorzugt, dass der wirksame Bestandteil des Katalysators mobil ist bei der Reaktionstemperatur. Dies wird veranschaulicht durch Vergleich der auf Kalium basierenden Katalysatoren mit einem Pt/Zirconiumoxid-Katalysator. Eine Verbrennung in Sauerstoff unter Verwendung von 10 Gew.-% K/Zirconiumoxid beginnt bei 391°C (eine Verbesserung der nicht katalytischen Reaktion, die bei etwa 550°C stattfindet). Im Vergleich dazu werden Temperaturen so hoch wie 523°C benötigt, wenn 1 Gew.-% Pt/Zirkoniumoxid verwendet wird. Der Grund hinter dieser Beobachtung ist wahrscheinlich, dass bei 350°C das wirksame Kaliumoxid beginnt zu schmelzen und so mobil wird, obwohl es noch zurückgehalten wird innerhalb der Porenstruktur der Zirkoniumoxids. Im Gegensatz dazu zersetzt sich Platinoxid bei etwa 550°C, und die Metallpartikeln, die gebildet werden, sind immobil, bis höhere Temperaturen erreicht werden, was in der Folge den Kontakt zwischen Katalysator und Ruß bei niedrigeren Temperaturen begrenzt.
  • Wie aus den Ergebnissen ersichtlich ist, die in den Tabellen 2, 3 und 4 gezeigt sind, verringern die Katalysatoren der vorliegenden Erfindung die Verbrennungstemperatur von simulierten Benzin-PM zu Benzinabgastemperaturen. Außerdem ist ersichtlich, dass Träger mit niedriger Oberfläche eine Katalysatorwirksamkeit erreichen bei niedrigeren Temperaturen infolge einer Hochtemperaturalterung. Es wird geglaubt, dass dies so ist, weil die Metallverbindungen mobil sind bei wirksamen Temperaturen und sie tief in die kleinsten Poren wandern können von Trägern hoher Oberfläche, um dadurch die wirksame Oberfläche des Alkalimetalls zu verringern und es weniger verfügbar zu machen, um die relevante Reaktion zu katalysieren.
  • Außerdem zeigen die Ergebnisse in den Tabellen 2, 3 und 4, dass das Trägermaterial eine Rolle spielen kann bei der Chemie des Verfahrens. Die anfänglichen Verbrennungstemperaturen der Reaktionen von Sauerstoff, Wasser und Kohlendioxid mit Kohlenstoff können weiter verringert werden, wenn 10 Gew.-% K/Ceroxid verwendet wird und 10 Gew.-% K/Zirconiumoxid anstelle eines Katalysators mit alpha-Aluminiumoxid-Träger. Dieser Nutzen ist am meisten wahrnehmbar im Fall von 10 Gew.-% K/Ceroxid für die Reaktion von Kohlendioxid mit PM: Die Verbrennung beginnt bei 712°C für den frischen Katalysator statt zu finden, nimmt langsam zu auf 746°C und 748°C für die 2 h und 16 h gealterten Proben. Im Fall von 10 Gew.-% K/Zirconiumoxid findet die bemerkenswerteste Verbesserung statt bei der Dampfvergasungsreaktion. Die Anfangsverbrennung wird detektiert bei 477°C für den frischen Katalysator und nimmt wieder leicht zu auf 477°C und 532°C für die 2 h und 16 h gealterten Proben.
  • Es sollte beachtet werden, dass alle oben katalysierten Reaktionen mit der Ausnahme von 1 Gew.-% Pt/Zirconiumoxid bei signifikant niedrigerer Temperatur stattfinden, als die nicht katalysierten Reaktionen. Diese Verbesserung könnte den Grund haben in den Redoxeigenschaften dieser Trägermaterialien, das heißt sowohl Ceroxid als auch Zirconiumoxid können einer Oxidation unterliegen oder Reduktion, die leicht abhängt von den Bedingungen (CeO2 → Ce2O3, ZrO2 → Zr2O3).
  • Eine weitere Eigenschaft der Katalysatoren der vorliegenden Erfindung ist, dass es verstanden wird, dass sie Kohlendioxid aktivieren können und Wasser, um den Sauerstoff zu übertragen auf eingefangene oder abgeschiedene PM. Zur Zeit wird der Grund für diese Verbesserung nicht vollständig verstanden, aber wir glauben, dass es die Fähigkeit der Alkalimetalle ist, reaktive Zwischenprodukte in Gegenwart von Kohlendioxid und Wasser zu bilden, was sie zu den am besten geeigneten Katalysatoren für diesen Zweck macht. Wieder zeigt ein Vergleich der auf Kalium basierenden Katalysatoren mit 1 Gew.-% Pt/Zirconiumoxid, bezogen auf die nicht katalysierten Reaktionen, dass die Alkalimetalle die Anfangsverbrennungstemperaturen um bis zu 300°C reduzieren können, im Gegensatz zu dem Platinkatalysator, der die Temperatur um nur etwa 30 bis 50°C reduziert.
  • Beispiel 5
  • Partikel- oder Feststofffilter
  • Kerne mit 25 mm Durchmesser × 152 mm Länge wurden extrahiert aus einem Corning EX-80 100/17 Cordierit-Wall-Flow-Filter.
  • Tests in einem Laborprüfstand
  • Kohlenstoffpartikel wurden erzeugt durch Funkenentladung zwischen Graphitelektroden in einem Palas GFG1000 Kohlenstoffaerosolgenerator (CAG). 10 bis 200 nm Agglomerate aus dem CAG wurden dann in einem inerten Träger/Verdünnungsgas (Argon/Stickstoff) in einem synthetischen Gasgemisch dispergiert, das Wasser und Kohlenwasserstoffdämpfe einschließen kann. Während die elementare Kohlenstoffreaktion von Partikeln aus PFI-Motoren normalerweise nicht größer ist als ~40%, wurde eine beträchtliche Veränderung aus ähnlichen Leichtlastbenzinmotoren oder Motoren leichter Fahrzeuge gefunden mit signifikanten Emissionen an elementarem Kohlenstoff in einigen Fällen. GDI-Motoren können Partikeln erzeugen, die denen nahe kommen, die aus Dieselmotoren sind, von bis zu 72% Kohlenstoff wird berichtet, sodass dieser Simulationsansatz besonders relevant ist für GDI-Motoren.
  • Das mit Partikeln beladene Gas floss in ein gerades, 55 mm Durchmesser aufweisendes, isoliertes Edelstahlrohr oder Rohr aus nichtrostendem Stahl mit 3 m Länge, an das Nachbehandlungseinrichtungen in Reihe befestigt werden konnten. Ein in Reihe angeordneter Verfahrens- oder Ablauferhitzer und ein Heizband wurden verwendet, um die gewünschte einheitliche Gastemperatur zu erreichen. Partikeln wurden abgetastet unter Verwendung von 6,5 mm nichtrostenden Stahlsonden und Messungen der Anzahl der Konzentrationen und Größenverteilung wurden gemacht unter Verwendung eines TSI Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS), der eine elektrostatische Sortiermaschine (EC), Modell 3081L, und einen Kondensationspartikelzähler (CPC), Modell 3022, umfasst. Um die Probentemperatur unterhalb der 36°C Grenze zu halten, wurden die Proben verdünnt mit partikelfreiem Stickstoff in einem Drei-Stufen-Ejektorsystem oder -Vertreibersystem.
  • Der Laborsimulationsprüfstand zur Bewertung der Abscheidung ist schematisch in der 2 gezeigt.
  • Für die hier berichteten Tests war das synthetische Gas nur aus partikelfreier Luft zusammen mit dem CAG Träger/Verdünnungsgas zusammengesetzt. Die Tests wurden ausgeführt bei einer fixierten Gasmassenflussrate und Temperaturen T zwischen Umgebungstemperatur und 400°C und Filtereinwirkungszeiten von bis zu 20 h. [Die Temperaturen wurden begrenzt auf ein Maximum von 400°C durch die Erwärmungsquellen, die in dem Laborteststand verwendet wurden. Die Trends, die in den Ergebnissen gezeigt sind, die erhalten wurden, erlauben es jedoch, eine Systemleistung bei höheren Temperaturen vorauszusagen, z.B. von mindestens 500°C.] Die gewählte Gasflussrate und Partikelerzeugungsrate stellen Partikelmassenkonzentrationen von 1,06 mg/m3 und 0,46 mg/m3 bei T = 20°C bzw. 400°C innerhalb des Bereichs von 0,1 bis 10 mg/m3, typisch für Benzin- oder Ottomotorabgasen, bereit. Die Filterraumgeschwindigkeit (tatsächliche Gasvolumenflussrate geteilt durch Filtervolumen) betrug etwa 44000 h–1 bei 20°C und 101.000 h–1 bei 400°C. Die Messungen wurden genommen an Orten 100 mm stromaufwärts von oder vorgeschaltet zu und stromabwärts von oder nachgeschaltet zu dem Filter. Die SMPS Partikelgrößenfenster wurden eingestellt auf 9 bis 422 nm und die Abtastzeiten für Scans nach oben und nach unten wurden ausgewählt als 120 Sekunden bzw. 60 Sekunden; die Zeitintervalle zwischen den Messungen stromaufwärts und stromabwärts betrugen –5 min. Ein Probenverdünnungsverhältnis von 60 wurde verwendet.
  • Die Ergebnisse, die erhalten wurden, sind in der Tabelle 5 gezeigt.
  • Tabelle 5
    Figure 00110001
  • Bei 400°C betrug die gemessene Einfangwirksamkeit als Funktion der Partikelgröße zwischen 65% und 90% überall in dem ultrafeinen Bereich, mit erhöhter Streuung unterhalb von 20 nm, wo die Messungenauigkeit wie erwartet am höchsten war und oberhalb von 100 nm, wo die kleinsten Zahlen an Partikeln detektiert wurden. Wenig Veränderung im Muster wurde gesehen nach einer Einwirkungszeit von 19 h, wenn sich der Druckverlust um einen Faktor von mehr als 4 erhöhte. (Mit einer wirksamen kontinuierlichen oder intermittierenden Oxidation von eingefangenen oder abgeschiedenen PM sollte der Druckverlust von geringer Besorgnis sein.) Die zeitgemittelten Größenverteilungen zeigen keine Verschiebung in der Modusgröße über dem Filter.
  • Tests an einem GDI-Motor
  • Ein Filter von identischem Typ, aber mit 118 mm Durchmesser, wurde eingepasst in das Abgassystem eines Mitsubishi Carisma Autos mit einem 1,8 l GDI Motor im Vergleich zu einem Standardabgassystem. Die Anordnung des Filters war etwa ein Drittel des Wegs zwischen dem Motorabgaskrümmer und dem Abgas- oder Auspuffendrohrausgang. Mit dem Auto auf einem Chassisdynamometer wurden Rohabgasproben extrahiert an dem Auspuffrohr durch einen Probentester und einen Anschluss aus nichtrostendem Stahl. Proben wurden zuerst verdünnt in einem Dekati Zwei-Stufen-Verdünner mit einem Verdünnungsverhältnis von 74, dann analysiert unter Verwendung eines Dekati Electrical Low Pressure Impactor (ELPI), einem 12-Kanal-Echtzeitpartikelgrößenspektrometer, das den Größenbereich von 0,03 bis 10 μm abdeckt.
  • Die Messungen mit und ohne Filter wurden durchgeführt bei 2 Bedingungen: (a) nominales Gleichgewicht bei einer äquivalenten Straßengeschwindigkeit von 80 km/h, wobei eine Treibstoffinjektion erfolgte im Schichtgesamtmagermodus mit einem gemessenen Äquivalenzverhältnis von etwa 1,8; (b) transient oder schwankend über den europäischen ECE + EUDC Fahrzyklus. Die 3 zeigt die Zeitaufgelöste Partikelzahldichte aus den vier Stufen niedrigster Größe (Kanälen) des ELPI während 5 min Zeiträumen des Gleichgewichttests. Die Grundlinienmessungen (gestrichelte Kurven, linker Maßstab) wurden aufgenommen unmittelbar nachdem das Auto in einem Fahrzyklus war, und die Aufzeichnung schließt Zeiträume ein sowohl in den vierten als auch in den fünften Gängen. Mit dem eingepassten Filter und vorgeladen während 1 h Betrieb (durchgezogene Kurven, rechter Maßstab) fiel die Zahldichte um eine Zehnerpotenz für alle Größen in dem Bereich von 30 bis 170 nm. Oberhalb von 170 nm wurden keine Partikel in signifikanten Zahlen detektiert mit oder ohne Filter. Daher schien der Filter genauso gut zu arbeiten, wie in der Laborsimulation, ein nicht überraschendes Ergebnis.
  • Über den ECE und den Teil niedriger Geschwindigkeit des EUDC-Zyklus verringerte der Filter die Auspuffzahlkonzentrationen in dem ultrafeinen Bereich auf Werte, die sehr signifikant unter den Grundlinienwerten lagen, wie veranschaulicht in 4. Keine signifikante Veränderung in der Filterleistung wurde gesehen über den Zyklus zwischen Filtern, die vorgeladen waren über 1 h und 4 h.
  • Beispiel 6
  • Elektrostatische Separatoren
  • Ein elektrostatischer Draht-Zylinder-Abscheider, bestehend aus einem geerdeten Rohr aus nichtrostendem Stahl mit 40 mm Durchmesser und 1 m Länge mit einer axialen Entladungselektrode von 0,1 mm Wolframdraht wurde aufgebaut. Die Größen wurden ausgewählt auf der Basis von Schätzungen des axialen Abstands, der benötigt wird für 100% Partikeleinfang bei typischen Gasgeschwindigkeiten in einer Laborsimulation, unterstützt durch analytisches Modelling. Der Draht wurde unter Spannung gesetzt unter Verwendung einer Start Spellman SL300 Hochspannungsversorgung und wurde sowohl gespannt gehalten als auch zentral angeordnet durch eine isolierte Spanneinrichtung, die der Falle oder dem Abscheider erlaubt in Reihe installiert zu sein mit einem simulierten Abgasrohr anstelle des Filters, der in 2 gezeigt ist. Es wurde erwartet, dass eine Partikelladung statt findet durch Ionen-Bombardment in der Koronaentladung, vor dem Transport zu der Rohrwand durch elektrophoretische Drift.
  • Ein simuliertes Ottomotorabgas oder Benzinmotorabgas (erzeugt wie beschrieben in Beispiel 5), dispergiert in partikelfreiem Stickstoff, wurde zu der Falle oder dem Abscheider geführt bei Umgebungstemperatur. Die Verweilzeit innerhalb der Falle oder dem Abscheider betrugt <1 sec, was einen turbulenten Fluss oder turbulenten Strom gewährleistet. Mit dem Feld bei V = 7 kV und mit einem Koronastrom von etwa 1 mA waren die Partikelzahlen am Auslass um viele Zehnerpotenzen geringer als am Einlass, über fast den gesamten Größenbereich und über die gesamten radialen Probenpositionen (gemessen innerhalb eines 15 min Zeitraums). In dem 10 bis 20 nm Bereich war die Reduzierung in der Partikelzahl immer noch zwei Zehnerpotenzen groß. Ein Beweis dafür, dass Partikel abgeschieden wurden anstelle gasgetragen oder im Schwebezustand zu verbleiben mit einer radialen Verschiebung, wurde bereitgestellt durch die Beobachtung einer dünnen, einheitlichen, schwarzen Abscheidung auf der Abscheiderwand nach etwa 3 h Lauf.
  • Das Experiment wurde wiederholt über einem Bereich von Spannungen, und die Ergebnisse sind in der 5 gezeigt. Wie ersichtlich ist, erreicht die Partikeltrennung in dieser Anordnung ein Plateau oberhalb von 12 kV.
  • Beispiel 7
  • Katalysiertes ESP
  • Ein simuliertes Ottomotor- oder Benzinmotorabgas wurde auf 400°C erwärmt und zu dem Abscheider (beschrieben in Beispiel 6) bei dieser Temperatur zugeführt. Die Verweilzeit innerhalb des Abscheiders betrug 0,6 Sekunden, was eine realistische turbulente Strömung gewährleistet. Mit dem elektrischen Feld, beibehalten bei 8 kV, wurde die Partikeleinfangwirksamkeit gemessen als Funktion der Partikeldurchmesser. Nach Vervollständigung dieses Tests wurde das simulierte Abgasrohr (siehe 2) ersetzt durch ein identisches Rohr, das beschichtet worden war mit 10 Gew.-% K/gamma-Aluminiumoxid-Katalysator. Die Ergebnisse, in 6 gezeigt, scheinen anzuzeigen, dass der Katalysator die Leistung des Separators nicht wesentlich oder materiell beeinflusst, und, wenn überhaupt, eine leichte Verbesserung bereitstellt bei der Sammelwirksamkeit von größeren Partikelgrößen.
  • Tabelle 2 Verbrennungseigenschaften für frische und gealterte Katalysatoren in O2 (unter Verwendung von TGA)
    Figure 00130001
  • Figure 00140001
    • Legende: T50 ist die Temperatur, bei der 50% des Gewichts von Ruß entfernt ist.
  • Tabelle 3 Verbrennungsergebnisse für frische und gealterte Katalysatoren in CO2 (unter Verwendung von TGA)
    Figure 00140002
    • Legende: T50 ist die Temperatur, bei der 50% des Gewichts von Ruß entfernt ist.
  • Tabelle 4 Verbrennungsergebnisse für frische und gealterte Katalysatoren in H2O (unter Verwendung von TPO)
    Figure 00150001
    • Legende: T50 ist die Temperatur der Halb-Peak-Maximaltemperatur.

Claims (16)

  1. Ottomotor mit einem Abgassystem, wobei das Abgassystem eine Einrichtung zur Abscheidung von Feststoffen (PM) aus dem Abgas und einen Katalysator umfasst, der ein geträgertes Alkalimetall zum Katalysieren der Oxidation von den PM umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgassystem einen Drei-Weg-Katalysator umfasst, der zwischen dem Motor und dem PM Oxidationskatalysator angeordnet ist und dass die Abscheidungseinrichtung geeignet ist zur Abscheidung von PM von < 100 nm.
  2. Motor gemäß Anspruch 1, wobei das Alkalimetall für Lithium, Natrium, Kalium, Rubidium oder Cäsium oder ein gegebenenfalls eutektisches Gemisch von beliebigen zwei oder mehreren davon, vorzugsweise Kalium, steht.
  3. Motor gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das elementare Alkalimetall in dem Katalysator in von 1 bis 20 Gew.-% des gesamten Katalysators, vorzugsweise 5 bis 15 Gew.-% und besonders bevorzugt 10 Gew.-%, vorliegt.
  4. Motor gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Träger Aluminiumoxid, Ceroxid, Zirconiumoxid, Titanoxid, ein Siliciumoxid-Aluminiumoxid, einen Zeolith oder ein Gemisch oder ein gemischtes Oxid von beliebigen zwei oder mehreren davon umfasst.
  5. Motor gemäß Anspruch 4, wobei der Aluminiumoxidträger für alpha-Aluminiumoxid, theta-Aluminiumoxid oder gamma-Aluminiumoxid oder ein Gemisch von beliebigen zwei oder mehreren davon steht.
  6. Motor gemäß einem beliebigen vorstehenden Anspruch, wobei das Alkalimetall für Kalium steht und der Träger für alpha-Aluminiumoxid, Zirconiumoxid oder Ceroxid oder ein Gemisch oder gemischtes Oxid von beliebigen zwei oder mehreren davon steht.
  7. Motor gemäß Anspruch 4 oder 6, wobei der Träger ein gemischtes Oxid umfasst und jeder Bestandteil des gemischten Oxids in einer Menge von 10 Gew.-% bis 90 Gew.-% des gesamten Katalysatorgewichts vorliegt.
  8. Motor gemäß Anspruch 7, wobei das gemischte Oxid für ein binäres gemischtes Oxid steht und das Verhältnis der vorliegendne kationischen Bestandteile in einem Verhältnis von 20:80 bis 50:50 vorliegt.
  9. Motor nach einem beliebigen vorstehenden Anspruch, wobei die Abscheidungseinrichtung einen Filter umfasst.
  10. Motor nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Abscheidungseinrichtung eine Entladungselektrode und eine Sammelelektrode umfasst zur elektrostatischen Abscheidung der PM und eine Stromeinrichtung zum Anlegen einer Potenzialdifferenz zwischen der Entladungselektrode und der Sammelelektrode.
  11. Motor gemäß Anspruch 10, wobei die Abscheidungseinrichtung einen ersten Zylinder umfasst und einen Draht, der darin koaxial angeordnet ist.
  12. Motor gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei der Zylinder einen Teil eines Rohrs bildet zum Transportieren des Abgases.
  13. Motor nach einem beliebigen vorstehenden Anspruch, wobei die Abscheidungseinrichtung zumindest zum Teil mit dem Katalysator beschichtet ist.
  14. Motor gemäß Anspruch 10, 11 oder 12, wobei die Sammelelektrode zumindest zum Teil mit einem Katalysator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 beschichtet ist.
  15. Verfahren zum Verbrennen von PM aus einem Ottomotor, gekennzeichnet durch Kontaktieren des Abgases mit einem Drei-Weg-Katalysator (TWC), Abscheidung von PM von < 100 nm aus dem Abgas nachgeschaltet zu dem TWC und Verbrennen der abgeschiedenen PM in CO2 und/oder H2O in dem Abgas unter Verwendung eines Katalysators, der ein geträgertes Alkalimetall umfasst, bei Temperaturen von mehr als 500 °C.
  16. Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei die Abscheidungsstufe durch Elektrophorese oder Filtration erfolgt.
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