DE60307291T2

DE60307291T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Beseitigung von Nebenprodukten aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE60307291T2
Application number: DE60307291T
Authority: DE
Inventors: Filip Acke; Peter Jozsa; Edward Jobson
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2003-11-26
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2023-11-27
Also published as: DE60307291D1; EP1536111B1; EP1536111A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen von Nebenprodukten aus Abgasen aus einer Brennkraftmaschine, die mit einem NO_x-Reduzierungskatalysator versehen ist. Dies wird erreicht durch eine Kombination einer Anordnung eines Nebenprodukt-Reduzierungskatalysators in den Abgasen und durch eine Maschinensteuerung, die den richtigen Temperaturbereich und den richtigen Bereich des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses für die gewünschten katalytischen Prozesse, die stattfinden sollen, steuert.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei dem Versuch, die Emissionen von Stickoxiden (NO_x) aus Brennkraftmaschinen zu reduzieren, sind viele Anstrengungen zur Modifizierung der Verbrennungsbedingungen unternommen worden, um die NO_x-Emissionen zu verringern, während der Verbrennungswirkungsgrad trotzdem in einer zufrieden stellenden Höhe aufrechterhalten wird.
Unter den herkömmlichen Techniken für die Reduzierung von NO_x-Emissionen können unter anderem die Technik der Abgasrückführung (AGR) als auch spezielle Konstruktionen von Kraftstoffeinspritzvorrichtungen und Verbrennungskammern erwähnt werden. Weitere wichtige Parameter sind Druck, Kraftstoffeinspritzzeit und Kraftstoffeinspritzdruck. Außerdem sind Techniken verwendet worden, die eine Wassereinspritzung, die Verwendung von Kraftstoff/Wasser-Emulsionen und die so genannte selektive katalytische Reduktion (SCR) durch Ammoniak umfassen. Dabei ist gefunden worden, dass eine einseitige Optimierung des Verbrennungswirkungsgrads oft erhöhte NO_x-Emissionen zur Folge hat.
Heute ist es notwendig, dass die NO_x-Emissionen reduziert werden, wobei sowohl durch die Kunden als auch durch internationale Abkommen wie das Kyoto-Protokoll ein verringerter Kraftstoffverbrauch erwartet wird. Es gibt außerdem einen großen Bedarf bezüglich reduzierter Emissionen weiterer Verbindungen, z. B. Kohlenwasserstoffe, die für die Umwelt potenziell gefährlich sind.
Dementsprechend gibt es einen erhöhten Bedarf an Katalysatoren, die auch Abgase aus Diesel- und Magermotoren aufbereiten können. Daher sind eine Anzahl verschiedener Katalysatoren entwickelt worden und aus herkömmlichen Anwendungen, z. B. in Fahrzeugen, gut bekannt.
Herkömmliche Katalysatoren umfassen typisch ein oder mehrere Substrate oder Monolithziegel, wie sie gelegentlich genannt werden. Solche Ziegel oder Monolithe liegen oft in Form eines wabenförmigen Keramiksubstrats oder Metallsubstrats mit Durchgangskanälen oder Durchgangszellen vor und können mit einer porösen Oberflächenbeschichtung versehen sein.
Partikel eines geeigneten Katalysators sind auf der Oberfläche des Substrats aufgetragen, wobei der Aufbau der Beschichtung optimiert worden ist, um den Oberflächenbereich zu maximieren, über dem die katalytischen Reaktionen stattfinden. Gewöhnliche Gruppen von Katalysatoren für eine Mager-NO_x-Reduzierung sind:

1. SCR-Katalysatoren wie Vanadium auf Titan oder ein unedles Metall, das durch Ionenaustausch in Zeolithe eingebracht eingebaut ist. Ein Reduktionsmittel wie Ammoniak oder Harnstoff wird dem Abgas vor dem Katalysator hinzugefügt.
2. NO_x-Speicherungs- und NO_x-Reduzierungskatalysatoren, die oftmals Ba-Karbonate in enger Verbindung mit Edelmetallen wie Pt und Rh, die auf einem Träger wie Cerdioxid feinst verteilt sind, enthalten. Das gespeicherte NO_x wird periodisch durch fette Abgaszustände regeneriert.
3. HC-SCR-Katalysatoren wie Cu-Zeolithe oder Silber oder Aluminium oder Edelmetalle, wobei Kohlenwasserstoffe vor dem Katalysator in das Abgas dosiert werden.

Es gibt außerdem eine Anzahl weiterer katalytischer Systeme, die angewendet werden können.
Bislang ist außerdem die Verwendung kristalliner Aluminiumsilikate, so genannte Zeolithe, die mit einem geeigneten Katalysator beladen sind, bekannt. Die Verwendung von Zeolithen in Zusammenhang mit der katalytischen Umsetzung von Abgasen ist z. B. in EP 0 499 931 A1 und EP 0 445 408 A offenbart.
Abgesehen davon ist bislang außerdem die Kombinierung mehrerer verschiedener katalytischer Substrate oder die Anordnung so genannter Nachbrenner im katalytischen Umsetzungsprozess bekannt. Solche Anordnungen sind z. B. in dem US-Patent Nr. 5 465 574 offenbart.
Außerdem ist bislang die Verwendung eines Wabenmonoliths aus gewellter Metallfolie mit einem geeigneten Katalysator, der auf seiner Oberfläche getragen oder gehalten wird, bekannt.
Es ist außerdem z. B. in EP 0 483 708 A1 die Kombination eines herkömmlichen Keramikkatalysators mit einem elektrisch erwärmbaren Katalysator vorgeschlagen worden, um sicherzustellen, dass die für die katalytische Umsetzung optimale Temperatur aufrechterhalten wird.
Somit sind im Gebiet eine Anzahl verschiedener Katalysatormaterialien, Katalysatorvorrichtungen und Katalysatoranordnungen für die katalytische Umsetzung von Abgasen beschrieben worden.

A) NO_x + H_xC_y → N₂ + H₂O + CO₂ + CO und
B) O₂ + H_xC_y → H₂O + CO₂

Es ist ermittelt worden, dass saure Katalysatoren (H⁺) und saure Zeolithe, die mit Ag oder anderen geeigneten Katalysatoren dotiert sind, selektiv in dem Sinn sind, dass NO₂ leicht umgesetzt wird, während NO nicht umgesetzt wird. Dies kann ein großer Nachteil sein, da NO in "mageren" Abgasen z. B. aus Diesel- und Magermotoren vorherrscht.
Normalerweise finden die folgenden Hauptreaktionen über einem herkömmlichen Pt-Katalysator statt:
C) NO + 1/2O₂ → NO₂
D) O₂ + H_xC_y → H₂O + CO₂
E) 2NO + H_xC_y → N₂O + H₂O + CO₂
In einem NO_x-Speicherungs- und NO_x-Reduzierungskatalysator, wie er z. B. in US 5 740 669 beschrieben ist, wird ein NO_x-Absorptionsmittel zum Entfernen des NO_x in dem Abgas verwendet (eine so genannte NO_x-Falle). Das NO_x-Absorptionsmittel absorbiert das NO_x in dem Abgas, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases mager ist, wobei es das absorbierte NO_x freigibt und es zu Stickstoff reduziert, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases fett oder stöchiometrisch ist. Um zu verhindern, dass das NO_x-Absorptionsmittel mit dem absorbierten NO_x gesättigt wird, muss das NO_x-Absorptionsmittel periodisch regeneriert werden, indem das NO_x in dem Absorptionsmittel freigesetzt und reduziert wird.
Bei den beschriebenen Verfahren zum Entfernen von NO_x in dem Abgas gibt es unter einem bestimmten Umstand einen unerwünschten Rest von NO_x in den katalytisch umgesetzten Abgasen. Viele Versuche sind ausgeführt worden, um dieses Problem mit verschiedenen Typen von Katalysatoren, durch Kombinieren verschiedener Katalysatoren und durch Zufügen einer zusätzlichen Menge an Kohlenwasserstoff zu den Abgasen, um NO_x mit einer ausreichenden Menge an Kohlenwasserstoff zu verringern, zu lösen. Wenn die Maschine fett läuft, kann eine sekundäre Luftzufuhr die Nebenproduktumsetzung weiter verbessern.
Allerdings sind viele der früheren Lösungen mit dem Problem einer unerwünschten Oxidation von Kohlenwasserstoffen (H_xC_y) über wenigstens einigen Oberflächen des Oxidationskatalysators, der vorzugsweise lediglich die Oxidation von Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO₂) entsprechend der Reaktion C) katalysieren soll, verbunden.
Ein weiterer Nachteil, der mit vielen bisher bekannten Katalysatoren verbunden ist, besteht darin, dass sie unter bestimmten Bedingungen die Reaktion E) katalysieren, die DiStickoxid (N₂O) erzeugt.
Diese Reaktion ist nicht erwünscht, wobei es bevorzugt wird, dass die Stickoxide (NO_x) in den Abgasen im höchstmöglichen Maß in Stickstoff (N₂) und nicht in DiStickoxid (N₂O) umgesetzt werden.
Bei der Steuerung einer Maschine ist es weiterhin erwünscht, dass die Maschine für kurze Zeitabschnitte mit einem Sauerstoffmangel betrieben wird, dem so genannten fetten Betrieb der Maschine, um die NO_x-Falle zu regenerieren. Ein im fetten Betrieb der Maschine auftretender Nachteil besteht darin, dass in diesen Zeitabschnitten eines fetten Betriebs Kohlenwasserstoffe, HC, in einem gewissen Umfang in den Abgasen vorhanden sind. Ferner wird Stickoxid, N₂O, über einem Katalysator, insbesondere über einem Pt enthaltenden Katalysator, gebildet.
Ein mit der N₂O-Behandlung verbundenes Dokument ist EP 01027919 A3 (D1). In dem Dokument ist ein Verfahren und ein System zum Behandeln der durch einen Dieselmotor erzeugten Abgase durch Anordnen zweier Katalysatorkomponenten im Motorabgaskanal offenbart. Die erste Katalysatorkomponente, die zum Oxidieren des Dieselabgases freiliegt, befindet sich dem Motor am Nächsten und ist ein Stickoxid-Absorptionsmittel. Die zweite Komponente ist ein Katalysator wie ein Mager-NO_x-Katalysator, der das über ihn hinweggehende Abgas umsetzen kann, einschließlich einer Reduzierung der von der ersten Komponente desorbierten Oxide in Stickstoff (N₂) oder Stickoxid (N₂O). Stoffe wie Kohlenwasserstoffe oder Ammoniak oder Harnstoff können in die Nähe des zweiten Katalysators eingespritzt werden, um die Reaktion zu unterstützen.
JP 2001182530 (D2) beschreibt einen Oxidationskatalysator, der wenigstens Methan oxidieren kann, und einen Fallenkatalysator, der NO_x fängt, die zusammen verwendet werden. Ein Luft/Kraftstoff-Verbrennungsverhältnis für eine Maschine wird zu einer fetten Seite eines theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses, das erforderlich ist, gesteuert.
Das Dokument D1 erwähnt nicht, wie Stickoxid aus dem Abgas zu reduzieren ist, während D2 die Behandlung von N₂O überhaupt nicht erwähnt. In dem Gebiet ist nicht viel über Maßnahmen in NO_x-Reduktions-Emissions-Steuersystemen zur Verringerung eines Nebenprodukts wie etwa eine Methan- und Stickoxidbildung beschrieben worden.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung und eines Verfahrens für die Reduzierung von Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden in den Abgasen während der Betriebsperioden einer Brennkraftmaschine und besonders während des fetten Betriebs der Maschine.
EP 1 256 700 (D3) beschreibt eine Vorrichtung zur Reinigung eines Abgases aus einer Brennkraftmaschine. Die Vorrichtung enthält Mittel zur Parameterabstimmung der Maschine und einen NO_x-Reduzierungskatalysator mit Mitteln zur NO_x-Reduzierung. Die Vorrichtung ist ferner mit einem Katalysator versehen, der einen Edelmetallkatalysator enthält. Die Vorrichtung ist nicht auf eine Reduzierung von Kohlenwasserstoffen oder Stickoxid in dem Abgas der Brennkraftmaschine gerichtet. Somit bezieht die Parameterabstimmung speziell die Steuerung der Maschine zur Reduzierung der Menge an Kohlenwasserstoffen und/oder des Stickoxids in dem Abgas nicht mit ein.
DE 196 41 644 (D4) beschreibt eine Vorrichtung, die in der Prozessindustrie verwendet wird, um Edelgase zu reinigen, wenn Luft zerlegt wird, um Edelgase zu erzeugen. Die Vorrichtung ist folglich mit einem Katalysator zum Reduzieren von Methan und Stickoxid aus einem Gasgemisch während des Prozesses versehen. Der für diesen Zweck verwendete Katalysator ist Palladium. Die Methanmenge als auch die Stickoxidmenge werden aus dem Gasgemisch durch die Verwendung von Palladium als Katalysator während des Prozesses mit stationären Prozessbedingungen reduziert. Es wird nicht geprüft, ob dieser Prozess während nichtstationärer Bedingungen der Art, wie sie in einer Brennkraftmaschine auftreten, anwendbar ist. Ferner ist eine Optimierung des Katalysators für die spezifische Reduzierung der Menge jedes der Kohlenwasserstoffe und des Stickoxids mit der Verwendung eines einzigen Katalysators für beide Substanzen nicht möglich. Es ist ferner nicht bekannt, wie die chemischen Reaktionen durch eine Parameterabstimmung der Maschine bei Verwendung eines einzelnen spezifischen Katalysators beeinflusst werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Entfernen von Methan, CH₄, und Stickoxid, N₂O, aus den Abgasen einer Brennkraftmaschine während des Betriebs der Maschine, insbesondere während des fetten Betriebs der Maschine, vorgestellt, wobei die Vorrichtung ferner umfasst:

– Mittel für die Parameterabstimmung der Maschine,
– einen NO_x-Reduzierungskatalysator, der Mittel für die NO_x-Reduzierung enthält, und
– Katalysatoren für die Reduzierung von Methan und/oder Stickoxid in den Abgasen der Maschine.

Die zu ergreifenden Maßnahmen, um den ersten Aspekt der Erfindung zu erreichen, sind:

– Treffen von Vorkehrungen, um die Abgase innerhalb des richtigen Temperaturbereichs zu halten, der für eine Methanoxidation ausreicht und oberhalb des N₂O-Gleichgewichts liegt. N₂O ist mit NO und NO₂ zwischen 200 °C und 350 °C (je nach den Partialdrücken von Sauerstoff und NO_x) im Gleichgewicht.
– Treffen von Vorkehrungen, um in dem richtigen Bereich des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zu bleiben. Dies wird erreicht durch eine Steuerung der Maschine und der Verbrennung in einer solchen Weise, dass ein fetter Betrieb während kurzer Zeitabschnitte ausgeführt wird, wodurch eine Ammoniakerzeugung vermieden wird. Ferner hält das Vermeiden eines zu fetten Betriebs die Erzeugung von Ammoniak auf einem niedrigen Niveau. Die Maschine wird so gesteuert, dass die Verbrennungsbedingungen in der Nähe eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses liegen, bei dem die Erzeugung von Stickgas, N₂O, auf einem niedrigen Niveau gehalten werden kann. Um im richtigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu bleiben, ist es ferner wichtig, Hysterese-Effekte bezüglich der Methanreduzierung zu vermeiden.
– Steuerung der Maschine, um Methan-Emissonen aus der Maschine zu reduzieren. Dieser Schritt wird durch eine Modifizierung von Maschinenparametern erreicht wie etwa: AGR (Abgasrückführung), zeitliche Steuerung der Einspritzung, Temperatur des Einlassgases (Luft + AGR), Ladedruck, Ventilzeitsteuerung und Einspritzdruck.

Eine NO_x-Reduzierung wird unter Verwendung wenigstens eines der folgenden Mittel erreicht: Mittel für die Steuerung des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts, Mittel für die Steuerung der Kraftstoffeinspritzlänge oder des Kraftstoffeinspritzdrucks, Mittel für die Ventilzeitsteuerung, Mittel für die Drosselklappensteuerung, Mittel für die Steuerung des Maschinen-Luftkompressors, Mittel für die Steuerung der Maschineneinlassgas-Temperatur und Einspritzvorrichtung für ein Reduzierungsmittel in dem Abgasrohr stromaufwärts von dem Katalysator.
Die Parameterabstimmung der Maschine wird durch eine Steuerung der Maschine unter Verwendung wenigstens eines der Parameter Maschinendrehmoment, Maschinendrehzahl, Wert des Gehalts an NO_x in den Abgasen und Lambdasonden-Signalpegel erreicht.
Die aufgelisteten Mittel, um zu einer NO_x-Reduzierung zu gelangen, und die Mittel, um die Parameterabstimmung zu erreichen, sind im Gebiet wohl bekannt und werden hier nicht ausführlicher beschrieben.
Für die Methanreduzierung kann Palladium, Pd, als ein Katalysator verwendet werden. Es kann ein Partikelfilter verwendet werden, der den Katalysator aufnimmt. Der Katalysator ist ferner wenigstens in einer bevorzugten Ausführungsform ein NSR-Katalysator (Stickstoffspeicherungs- und Stickstoffreduzierungskatalysator), der Cerdioxid- oder Zirkondioxid-Komponenten als Sauerstoffspeicherkomponenten (OSC) aufweisen kann.
Für die Stickoxidreduzierung kann Fe-Zeolith als das katalytische Mittel verwendet werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für die Entfernung von Methan, CH₄, und Stickoxid, N₂O, aus den Abgasen einer Brennkraftmaschine während des Betriebs der Maschine und insbesondere während eines fetten Betriebs der Maschine vorgestellt, wie es in dem unabhängigen Verfahrensanspruch angegeben ist. Weitere Aspekte des Verfahrens sind in den abhängigen Verfahrensansprüchen aufgelistet.
Noch weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung betrachteten folgenden ausführlichen Beschreibung hervor. Selbstverständlich ist die Zeichnung allerdings nur für Erläuterungszwecke vorgesehen und nicht als eine Definition der Grenzen der Erfindung, für die Bezug auf die beigefügten Ansprüche zu nehmen ist. Ferner ist es selbstverständlich, dass die Zeichnung nicht zwangsläufig maßstabsgerecht ist und dass sie, sofern nicht anders angegeben, lediglich zur begrifflichen Erläuterung der hier beschriebenen Strukturen und Verfahren vorgesehen ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die beigefügte Figur ist eine schematische Darstellung einer Systembeschreibung einer Vorrichtung zum Entfernen von Nebenprodukten aus Abgasen aus einer Maschine.
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Im Folgenden werden eine Anzahl von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mithilfe der beigefügten Zeichnung beschrieben.
In der beigefügten Figur ist eine Brennkraftmaschine durch einen Block symbolisiert, der mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet ist. Abgase 2 werden durch ein Abgasrohr 3 zu einer Katalysatorvorrichtung 4 geleitet. In der offenbarten Ausführungsform ist die Katalysatorvorrichtung in zwei Teile unterteilt, einen primären Katalysator 4a und einen sekundären Katalysator 4b. Der primäre Katalysator 4a ist in dem beschriebenen Beispiel ein NSR-Katalysator mit NO_x-Speicherungs- und NO_x-Reduzierungseigenschaften, der wie oben beschrieben im Gebiet bekannt ist. Der zweite Katalysator 4b ist ein Reinigungskatalysator, der sich um verbliebene unerwünschte Nebenprodukte in den Abgasen, die aus dem primären Katalysator 4a herausgelassen werden, kümmert. Die in die Atmosphäre abgegebenen Abgase sind durch das Bezugszeichen 5 gekennzeichnet. Die mit 6 gekennzeichneten Pfeile zeigen Signale für die Steuerung der Maschine durch Parameter und Steuersignale an, wie sie oben beschrieben sind.
Der sekundäre Katalysator 4b enthält Katalysatoren, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung den Gehalt an Methan oder Stickoxid oder sowohl Methan als auch Stickoxid zusammen aus den Abgasen reduzieren. Dies wird in Verbindung mit der Maschinensteuerung ausgeführt, wobei Maßnahmen durchgeführt werden, um die Maschine durch Parameter zu steuern, die die Maschine für eine Minimierung der Bildung von Methan und/oder Stickgas aus der Maschine abstimmen.
Ferner ist die Maschine so ausgelegt, dass sie durch eine Steuerung der Maschine sowie der Verbrennung in einer solchen Weise, dass während kurzer Zeitabschnitte ein fetter Betrieb ausgeführt wird, in einem zulässigen Luft/Kraftstoff-Verhältnis bleibt. Maßnahmen für einen solchen Betrieb der Maschine sind im Gebiet bekannt, wodurch hier die Maßgaben für Einzelheiten für eine solche Steuerung nicht beschrieben werden. Noch weiter ist ein Lesen wenigstens eines der Werte Maschinendrehmoment, Maschinendrehzahl, Abgasmassendurchfluss, Wert des Gehalts an NO_x in den Abgasen, und Lambdasonden-Signal für die Modifizierung von Maschinenparametern wie Kraftstoffeinspritzzeitpunkt, Kraftstoffeinspritzlänge, Kraftstoffeinspritzdruck, Ventilzeitsteuerung, Drosselklappensteuerung, Luftkompressorsteuerung, Einlassgastemperatur zur Steuerung der Maschine, so dass sie in einem vorgegebenen Luft/Kraftstoff-Verhältnis bleibt, jeweils eine in dem Gebiet bekannte Maßnahme und wird hier ebenso nicht beschrieben.
Es ist ein in dem sekundären Katalysator untergebrachtes erstes katalytisches Mittel vorhanden. Als ein Beispiel, ohne auf eine solche Verwendung eingeschränkt zu sein, ist das erste katalytische Mittel der offenbarten Ausführungsform Fe-Zeolith.
Ein auch in dem sekundären Katalysator untergebrachtes zweites katalytisches Mittel ist für die Reduzierung von Methan, das in dem Abgas stromabwärts des primären Katalysators vorhanden ist, vorgesehen. Ohne auf eine derartige Verwendung eingeschränkt zu sein, ist ein Pd-selektiver Katalysator zur Verwendung als das zweite katalytische Mittel für die Methanreduzierung angeordnet.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das erste katalytische Mittel in einer ersten Schicht des Katalysators vorgesehen, wobei das zweite katalytische Mittel in einer zweiten Schicht des Katalysators vorgesehen ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind der Methanreduzierungskatalysator und/oder der Stickoxidreduzierungskatalysator in einem separaten Monolithen angeordnet.
In einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung sind der Methanreduzierungskatalysator und/oder der Stickoxidreduzierungskatalysator in einem Pulver, das von den Abgasen durchdrungen wird, angeordnet.
In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Katalysatorverbindungen in demselben Gehäuse angeordnet, wobei der Methanreduzierungskatalysator und/oder der Stickoxidreduzierungskatalysator in einem Katalysatorpulver, das mit dem NO_x-Reduzierungskatalysator gemischt ist, angeordnet sind.
Unten folgt eine kurze Beschreibung des Prozesses gemäß der Erfindung. Maschinengase, die während eine fetten oder eines mageren Betriebs aus der Maschine ausgestoßen werden, sind im Wesentlichen: CO₂, NO, O₂, H_xC_y, (CH₄), CO, H₂O. Kohlenwasserstoff sind mit H_xC_y angegeben, wobei Methan als die Substanz angegeben ist, die gemäß der Erfindung durch eine Verarbeitung in dem sekundären Katalysator entfernt wird.
In einem Regenerationsschritt, der in dem primären Katalysator abgewickelt wird, werden Stickoxid, NO, und Stickstoffdioxid, NO₂, über den ersten Katalysator gemäß der folgenden schematischen Reaktion zu Stickstoff, N₂, reduziert: NO/NO₂ + Reduzierungsmittel → N₂ (H₂O und/oder CO₂)
Nebenprodukte aus der Reaktion sind Wasser und/oder Kohlendioxid.
Wie oben erläutert ist, findet in dem primären Katalysator eine weitere unerwünschte Reaktion statt, bei der Stickstoffdioxid gemäß der folgenden vereinfachten Formel über das Reduzierungsmittel zu Stickoxid, N₂O, reduziert wird: NO₂ + Reduzierungsmittel → N₂O (H₂O und/oder CO₂)
In dem sekundären Katalysator wird Methan über einen Pd-selektiven Katalysator (d. h. ein Katalysator, der selektiv für die Reaktion zwischen Methan und Sauerstoff ist) gemäß der folgenden Formel zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert: CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O
Das in dem primären Katalysator erzeugte Stickoxid wird in dem sekundären Katalysator gemäß der folgenden Formel verarbeitet: N₂O + Reduzierungsmittel → N₂ (H₂O und/oder CO₂) wobei das Stickoxid durch das erste katalytische Mittel in Stickstoff, N₂, umgesetzt wird. Nebenprodukte bei der Reaktion sind Wasser und/oder Kohlendioxid.
Wie anhand der in dem sekundären Katalysator stattfindenden Reaktionen offensichtlich ist, sind die in die Atmosphäre abgegebenen Gaskomponenten Stickstoff, Wasser und Kohlendioxid.
Als eine weitere Maßnahme zur Verbesserung des Wirkungsgrads des Reduzierungsprozesses während des fetten Laufs der Maschine, kann, wie beschrieben ist, durch eine Luftpumpe, die stromaufwärts von dem Katalysator Luft zuführt, dem Abgas Zusatzluft hinzugefügt werden.

Claims

Vorrichtung zum Entfernen von Methan, CH₄, und Stickoxiden, N₂O, aus den Abgasen während des Betriebs einer Brennkraftmaschine (1), mit: – Mitteln für die Parameterabstimmung der Maschine und – einem NO_x-Reduzierungskatalysator, der Mittel für die NO_x-Reduzierung enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner umfasst: – ein erstes katalytisches Mittel für die Oxidation von Stickoxiden, die zu einer Verringerung der Menge an Stickoxiden in den Abgasen der Maschine führt, und ein zweites katalytisches Mittel für die Oxidation von Methan, die zu einer Verringerung der Menge an Methan in den Abgasen der Maschine führt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der NO_x-Reduzierungskatalysator in einem primären Katalysator (4a) untergebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das erste und das zweite katalytische Mittel für die Verringerung der Menge an Stickoxiden bzw. an Methan in einem sekundären Katalysator (4b) stromabwärtig von dem primären Katalysator untergebracht sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der NO_x-Reduzierungskatalysator einen NSR-Katalysator (Stickstoffspeicherungs- und Stickstoffreduzierungskatalysator) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, bei der die Mittel für die NO_x-Reduzierung wenigstens eines aus der folgenden Gruppe sind: Mittel für die Steuerung des Kraftstoffeinspritzzeitpunkts, Mittel für die Steuerung der Kraftstoffeinspritzlänge, Mittel für die Steuerung des Kraftstoffeinspritzdrucks, Mittel für die Ventilzeitsteuerung, Mittel für die Drosselklappensteuerung, Mittel für die Steuerung des Maschinen-Luftkompressors und Mittel für die Steuerung der Maschineneinlassgas-Temperatur.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 4 und 5, bei der die Parameterabstimmung der Maschine durch wenigstens einen der Parameter gesteuert wird, der aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Maschinendrehmoment, Maschinendrehzahl, Wert des Gehalts an NO_x in den Abgasen, Lambdasonden-Signal.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das zweite katalytische Mittel für die Verringerung der Methanmenge Pd ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der ein Partikelfilter ein Wirt für den Pd-Katalysator ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das erste katalytische Mittel für die Verringerung der Stickoxidmenge Fe-Zeolith ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das erste katalytische Mittel und/oder das zweite katalytische Mittel in einem separaten Monolithen angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei der das zweite katalytische Mittel in einer ersten Schicht des Katalysators angeordnet ist und das erste katalytische Mittel in einer zweiten Schicht angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der das erste katalytische Mittel und/oder das zweite katalytische Mittel in einem Katalysatorpulver angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 5 und 6, bei der das erste katalytische Mittel und/oder das zweite katalytische Mittel in einem Katalysatorpulver angeordnet sind, das mit dem NO_x-Reduzierungskatalysator gemischt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 5 und 6, bei der Sekundärluft zugeführt wird, um die Nebenproduktumsetzung zu steigern.
Verfahren für die Entfernung von Methan, CH₄ und von Stickoxiden, N₂O aus den Abgasen während des Betriebs einer Brennkraftmaschine, insbesondere während eines fetten Betriebs der Maschine, das die folgenden Schritte umfasst: – Lesen wenigstens eines der Werte der folgenden Gruppe: Maschinendrehmoment, Maschinendrehzahl, Abgasmassendurchfluss, Wert des NO_x-Gehaltes in den Abgasen, Lambdasonden-Signal, und ferner gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Modifizieren von Maschinenparametern in Abhängigkeit von den Ablesungen, um die Maschine so zu steuern, dass sie in einem vorgegebenen Luft-/Kraftstoff-Verhältnis bleibt, um den Gehalt von NO_x und/oder von CH4 in den Abgasen zu senken, – Verringern der Menge an Methan und an Stickoxiden, die in den Abgasen vorhanden sind, unter Verwendung eines ersten katalytischen Mittels für die Oxidation der Stickoxide und eines zweiten katalytischen Mittels für die Oxidation von Methan.
Verfahren nach Anspruch 15, das ferner den folgenden Schritt umfasst: – Modifizieren der Maschinenparameter, das das Modifizieren wenigstens eines der Parameter aus der folgenden Gruppe umfasst: Kraftstoffeinspritzzeitpunkt, Kraftstoffeinspritzlänge, Kraftstoffeinspritzdruck, Ventilzeitsteuerung, Drosselklappensteuerung, Luftkompressorsteuerung, Einlassgastemperatur.
Verfahren nach Anspruch 16, das ferner den folgenden Schritt umfasst: – Reduzieren von NO_x in einem NSR-Katalysator (Stickstoffspeicherungs- und Stickstoffreduzierungskatalysator).
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner den folgenden Schritt umfasst: – Freisetzen von NO_x nach einem Speicherungsschritt durch Wählen wenigstens eines der Mittel aus der folgenden Gruppe: Mittel für die Steuerung der Kraftstoffeinspritzzeit, Mittel für die Steuerung der Kraftstoffeinspritzlänge, Mittel für die Steuerung des Kraftstoffeinspritzdrucks, Mittel für die Ventilzeitsteuerung, Mittel für die Drosselklappensteuerung, Mittel für die Steuerung des Maschinen-Luftkompressors und Mittel für die Steuerung der Maschineneinlassgas-Temperatur.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, das ferner den folgenden Schritt umfasst: – Unterbringen des NO_x-Reduzierungskatalysators in einem primären Katalysator.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, das ferner den folgenden Schritt umfasst: – Unterbringen des ersten und des zweiten katalytischen Mittels in einem sekundären Katalysator.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, das ferner den folgenden Schritt umfasst: – Verwenden von Mitteln, um die Abgase in einem Temperaturbereich zu halten, der nicht in der Nähe des N₂O-Gleichgewichts liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, das ferner den folgenden Schritt umfasst: – Anordnen der Maschine in der Weise, dass er in einem korrekten Luft/Kraftstoff-Verhältnis bleibt, in dem die Maschine und die Verbrennung in der Weise gesteuert werden, dass während kurzer Perioden ein fetter Betrieb erzielt wird.