EP1969210A1 - Vorrichtung für die behandlung von bei einer verbrennung anfallenden verbrennungsprodukten - Google Patents

Vorrichtung für die behandlung von bei einer verbrennung anfallenden verbrennungsprodukten

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EP1969210A1
EP1969210A1 EP06807697A EP06807697A EP1969210A1 EP 1969210 A1 EP1969210 A1 EP 1969210A1 EP 06807697 A EP06807697 A EP 06807697A EP 06807697 A EP06807697 A EP 06807697A EP 1969210 A1 EP1969210 A1 EP 1969210A1
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fiber elements
combustion
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    • F01N2330/06—Ceramic, e.g. monoliths

Definitions

  • those in the first layer in the case of incomplete degradation e.g. Intermediates formed by exhaust gas pollutants, which likewise may have a pollutant potential, are catalytically further oxidized by the second layer up to the fully oxidized products.
  • the fiber elements of the first layer are provided with a catalytically active coating adapted to the treatment of particulate combustion products.
  • the filterability of the first layer can be further increased with respect to particles of the combustion products.
  • cerium, iron or vanadium or mixtures of these components are suitable as catalyst materials.
  • the targeted Rußabbrandtemperatur is lowered, in which a Rußverbrennung can take place.
  • the cold start behavior of diesel particulate filters for motor vehicles is thus significantly improved. Because the majority of the unwanted total emissions from vehicle exhaust gases occurs in the first few minutes after the start of engine combustion, because the temperatures of the surfaces coming into contact with exhaust gas in the diesel particulate filter are not sufficiently high for maximum catalytic activity.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung (1) vorgeschlagen für die Behandlung von bei einer motorischen Verbrennung anfallenden Verbrennungsprodukten, welche die Vorrichtung (1) durchströmen, mit einem Partikelfilter für eine Partikelrückhaltung sowie katalytisch aktiven Abschnitten, wobei in Durchströmrichtung die Verbrennungsprodukte eine Anströmseite (6) und anschließend eine Abströmseite (11) passieren. Zur Erhöhung der Effektivität und der Lebensdauer der Behandlungsvorrichtung (1) umfassen die katalytisch aktiven Abschnitte eine erste Schicht auf der Anströmseite (6) und eine zweite Schicht auf der Abströmseite (11), wobei sich die katalytischen Wirkungen der Schichten voneinander unterscheiden.

Description

Beschreibung
Titel
Vorrichtung für die Behandlung von bei einer Verbrennung anfallenden Verbrennungsprodukten.
Stand der Technik
Bei der Verbrennung zum Beispiel von fossilen Brennstoffen können Schadstoffe insbesondere durch unvollständige Verbrennung freigesetzt werden. Behandlungsvorrichtungen für Verbrennungsprodukte können hier Abhilfe schaffen. Beispielsweise werden für die Abgasnachbehandlung Abgasfilter bzw. Abgaskatalysatorvorrichtungen eingesetzt, mit welchen ca. 90 % der Schadstoffe umgewandelt werden können. Für die Behandlung von Verbrennungsprodukten bzw. Abgasen aus der Verbrennung von Dieselbrennstoffen werden beispielsweise Dieselpartikelfilter eingesetzt, welche einen Grundkörper aus einem Keramikmaterial wie beispielsweise Cordierit oder Siliciumcarbid aufweisen. Die Abgase überströmen im Dieselpartikelfilter Oberflächen die mit einem sogenannten Washcoat imprägniert sind, welcher als Träger der katalytisch aktiven Komponenten der Abgasbehandlungsvorrichtung dient.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Behandlungsvorrichtung bereitzustellen, mit welcher eine vergleichsweise effektivere Behandlung von Verbrennungsprodukten möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch den Anspruch 1 gelöst. Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung für die Behandlung von bei einer Verbrennung anfallenden Verbrennungsprodukten, z.B. Abgase von Dieselmotoren, welche die Vorrichtung durchströmen, mit einem Partikelfilter für eine Partikelrückhaltung sowie katalytisch aktiven Abschnitten, wobei in Durchströmrichtung die Verbrennungsprodukte eine Anströmseite und anschließend eine Abströmseite passieren. Der Kern der Erfindung liegt darin, dass die katalytisch aktiven Abschnitte eine erste Schicht auf der Anströmseite und eine zweite Schicht auf der Abströmseite umfassen, wobei sich die katalytischen Wirkungen der Schichten voneinander unterscheiden. Damit kann gezielt die Behandlung der Verbrennungsprodukte bzw. Abgase verbessert werden bzw. der Anteil der katalytisch behandelten in den Verbrennungsprodukten vorhandenen Schadstoffe erhöht werden. Insbesondere können unvollständig oxidierte gasförmige, feste bzw. partikulär bzw. flüssige Abgasbestandteile wie Kohlenwasserstoffe (HC) oder Kohlenmonoxid (CO) vollständig bzw. nahezu vollständig zu Wasser bzw. Kohlendioxid oxidiert werden. Durch die beiden Schichten können jeweils unterschiedliche katalytische Reaktionen auf unterschiedlichen Seiten der Behandlungsvorrichtung, beispielsweise eines Dieselpartikelfilters für Dieselmotoren, unterstützt werden. Die Anströmseite und die Abströmseite der Behandlungsvorrichtung bzw. eines Abgaspartikelfilters sind insbesondere durch eine poröse bzw. gasdurchlässige Wand z.B. aus Keramikmaterial voneinander getrennt. Die gezielte katalytische Wirkung der jeweiligen Schicht wird beispielsweise durch Auswahl bzw. Anteile der in der Schicht vorhandenen Katalysatorkomponenten bestimmt. Dabei kann die katalytisch wirksame Komponente aus einem Katalysatorstoff oder aus einer Mischung mehrerer Katalysatorstoffe bestehen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist die erste Schicht ausgebildet, Partikel katalytisch zu oxidieren. Mit einer vergleichsweise hohen Filter- bzw. Abbauwirkung für z.B. Abgaspartikel kann mit der ersten Schicht besonders einer umweltrelevanten Feinstaubbelastung durch Abgase entgegengewirkt werden. Damit lassen sich gesetzliche Vorgaben insbesondere bezüglich Abgasemissionen sicher einhalten. Insbesondere werden die auf der Anströmseite gefilterten Abgaspartikel wie beispielsweise Ruß gezielt abgebaut. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Abgas- bzw. Rußpartikel ausschließlich bzw. nahezu ausschließlich auf der Anströmseite herausgefiltert und dort zumindest teiloxidiert werden, denn dann können die dabei entstehenden ggf. nicht vollständig oxidierten Abbauprodukte insbesondere abströmseitig innerhalb eines anschließenden Abschnitts in der Abgasbe- handlungsvorrichtung bis zur höchsten Oxidationsstufe weiteroxidiert werden. Unter Partikeln bzw. Abgaspartikeln sind neben Rußpartikeln insbesondere sämtliche festen Zwischenprodukte der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen, z.B. aus Dieselbrennstoff, zu verstehen, beispielsweise auch mit daran anhaftenden gesundheitsschädlichen Kohlenwasserstoffen, z.B. polyzyklische Kohlenwasserstoffe.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist die zweite Schicht derart aufgebaut und auf die zweite Schicht abgestimmt, auf der Anströmseite bei der katalytischen zumindest teilweisen Oxidation der partikulären Verbrennungsprodukte gebildete Stoffe und/oder Stoffe, welche die Anströmseite ohne kata- lytische Behandlung passieren, katalytisch zu behandeln. Die zweite Schicht kann insbesondere zur Katalyse von niedrigeren Kohlenwasserstoffen oder Kohlenmono- xid bzw. von Stoffen, welche bei der Katalyse mittels der ersten Schicht entstanden sind, ausgerichtet sein. In diesem Fall ist z.B. die erste Schicht bevorzugt auf die Katalyse von höheren Kohlenwasserstoffen bzw. von über mehrere Abbauschritte abzubauende Stoffe abgestimmt. Die Schichten können insbesondere gezielt die zu erwartenden nacheinander in der Behandlungsvorrichtung ablaufenden Abbaureaktionen der Verbrennungsprodukte katalytisch stützen. Bevorzugt können somit auch solche in der ersten Schicht beim unvollständigen Abbau z.B. von Abgasschadstoffe entstehenden Zwischenprodukte, welche ebenfalls ein Schadstoffpotential aufweisen können, durch die zweite Schicht katalytisch weiter oxidiert werden bis zu den voll- oxidierten Produkten.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die erste Schicht eine Mehrzahl von Faserelementen umfasst. Faserelemente insbesondere auf der Anströmseite z.B. von Abgaspartikelfiltern erhöhen die Rückhaltefähigkeit für Abgas- bzw. Rußpartikel gegenüber faserlosen Bereichen. Durch die Faserelemente in der ersten Schicht können nahezu sämtliche Partikel der Verbrennungsprodukte bzw. des Abgases auf der Anströmseite herausgefiltert bzw. behandelt werden. Insbesondere lassen sich durch die Faserelemente vergleichsweise große für die Partikel in einem Abgas zur Anhaftung geeignete Oberflächen mit relativ wenig Fasermaterial realisieren. Besonders vorteilhaft ist dabei eine vergleichsweise geringe Erhöhung des Druckverlustes beim Durchströmen der Behandlungsvorrichtung. Mit den Faserelementen kann zudem eine Puffereigenschaft bereitgestellt werden. Denn durch die Vielzahl der Fasern wird beispielsweise eine Schutzschicht für den darunter liegenden Trägerkörper zum Beispiel aus Keramik gebildet. Die Fasern wirken sozusagen wie ein wärmedämmender Teppich auf dem ggf. gegenüber Temperaturspitzen empfindlichen Träger- körper. Die Temperaturspitzen können z.B. durch den Rußabbrand auf den Fasern entstehen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Faserelemente hochtemperaturbeständige Fasern umfassen. Mit den temperaturbeständigen Fasern aus z.B. Aluminiumoxid können die Standzeiten beispielsweise eines Abgas- bzw. Dieselpartikelfilters erhöht werden, da die Temperaturen im Abgas in der Regel mehrere hundert Grad betragen. Prinzipiell sind neben Aluminiumoxid auch andere hochtemperaturbeständige Materialien für die Fasern denkbar.
Besonders bevorzugt sind die Faserelemente der ersten Schicht mit einer auf die Behandlung von partikulären Verbrennungsprodukten abgestimmten katalytisch aktiven Beschichtung versehen. Somit kann die Filter- bzw. Abbaufähigkeit der ersten Schicht im Hinblick auf Partikel der Verbrennungsprodukte weiter erhöht werden.
Bevorzugt umfasst die Beschichtung der Faserelemente die Rußoxidation katalysierende Bestandteile. Insbesondere können in der Beschichtung katalytisch aktive Stoffe eingebracht sein, mit denen gezielt ein effektiver Abbau der an den Oberflächen der Faserelemente anhaftenden Rußpartikel gefördert wird, wenn rußbehaftete Abgase behandelt werden. Rußpartikel stellen z.B. die bedeutendste Komponente der schädlichen Abgaspartikel bei einer Dieselverbrennung dar.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes weist die Beschichtung der Faserelemente zumindest einen der Katalysatorstoffe Cer, Eisen und Vanadium auf. Insbesondere kommen Cer, Eisen oder Vanadium bzw. Mischungen dieser Komponenten als Katalysatormaterialien in Frage. Mit diesen Komponenten wird insbesondere gezielt die Rußabbrandtemperatur erniedrigt, bei welcher eine Rußverbrennung stattfinden kann. Insbesondere das Kaltstartverhalten von Dieselpartikelfiltern für Kraftfahrzeuge wird damit deutlich verbessert. Denn der überwiegende Anteil der unerwünschten Gesamtemissionen durch Kfz-Abgase entsteht in den ersten Minuten nach dem Start der motorischen Verbrennung, weil die Temperaturen der mit Abgas in Kontakt kommenden Oberflächen im Dieselpartikelfilter für eine maximale katalytische Aktivität noch nicht ausreichend hoch sind. Denn die Konversionsrate bzw. die Umwandlung in vollständig oxidierte Produkte durch katalytisch aktive Stoffe ist temperaturabhängig, insbesondere beträgt die Katalysatoranspringtemperatur ca. 250 bis 300 Grad Celsius. Als weiterer wesentlicher Vorteil der genannten Katalysatormaterialien ist deren Eigenschaft zu nennen, dass die Temperaturspitzen beim stattfindenden Abbrand der Rußpartikel vergleichsweise niedriger bzw. abgedämpft ist. Dies schont insbesondere benachbarte Bauteile und Materialien, beispielsweise einen ggf. darunter liegenden Träger aus Keramikmaterial. Die Faserelemente können insbesondere mit einer Suspension beispielsweise als Washcoat z.B. durch Eintauchen oder Tränken des keramischen Trägergerüsts beschichtet werden.
Schließlich wird weiter vorgeschlagen, dass die zweite Schicht zumindest einen der Katalysatoren Platin und Palladium aufweist. Die zweite Schicht ist dadurch mit einer vergleichsweise hohen katalytischen Aktivität für Oxidationsvorgänge von gasförmigen Ab- gasbestandteilen ausgebildet. Insbesondere nicht vollständig oxidierte Brennstoff- bzw.
Dieselbestandteile im Gas wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe oder Kohlenmonoxid werden damit weitgehend katalytisch oxidiert, im Idealfall zu Kohlendioxid und Wasser. Durch diese Maßnahme wird gezielt die Diesel-Oxidationskatalyse (DOC) verstärkt. Neben den aufgeführten Katalysatoren sind auch noch andere denkbar z.B. Rhodium oder andere.
Prinzipiell kann mit der vorgeschlagenen Abgasbehandlungsvorrichtung z.B. in der ersten bzw. zweiten Schicht eine Denitrifikations(DeNOx)-Funktion integriert bzw. eine Abgasrückführung vorgesehen werden.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand der nachstehenden stark schematisierten Figuren unter Angabe weiterer Vorteile und Einzelheiten näher erläutert.
Figur 1 zeigt stark schematisch einen Dieselpartikelfilter in perspektivischer Ansicht und
Figur 2 einen Längsschnitt des in Figur 1 gezeigten Dieselpartikelfilters in Teilansicht.
Figur 1 zeigt einen anströmseitig offenen Dieselpartikelfilter 1 als Rußabbrennfilter, welcher beispielsweise eine metallische rohrförmige Hülle 2 aufweist, welche z.B. über ein nicht gezeigtes Abgasrohr von einem partikelbehafteten Abgas gemäß des Pfeils Pl angeströmt wird. In einem Anströmquerschnitt 3 am vorderen Ende des Dieselpartikelfilters sind rasterartig abwechselnd angeordnete im Querschnitt in etwa quadratische Kanalöff- nungen 4 und Stirnseiten von Abschlussstopfen 5 z.B. aus keramischen Material angeordnet. Eine gegebenenfalls vorgesehene Isolierung des In- neren der Hülle 2 ist in Figur 2 nicht dargestellt. Die anströmseitigen Kanalöffnungen 4 gehören zu längs im Dieselpartikelfilter 1 parallel zueinander verlaufenden im Querschnitt quadratischen Kanälen 6, welche an einem Abströmquerschnitt 7 (verdeckt) durch weitere Abschlussstopfen 8 endseitig gasdicht verschlossen sind.
Einen Längsschnitt durch den Dieselpartikelfilter 1 in Teilansicht ist aus Figur 2 stark vereinfacht zu entnehmen. Daraus ist auch die Durchströmrichtung durch den Dieselpartikelfilter für das zu behandelnde Abgas ersichtlich. Gemäß der Pfeile Pl strömt das Abgas durch die Kanalöffnungen 4 in die Kanäle 6 und tritt beim Durchströmen der Kanäle 6 durch poröse bzw. gasdurchlässige Kanalwandungen 9, wobei partikuläre Stoffe wie Abgas- bzw. Rußpartikel 10 an einer Innenwandung der Kanäle 6 anhaftend zurückgehalten werden. Die Abgase gelangen nach dem Durchtritt durch die Kanalwandungen 9 von den Kanälen 6 in abströmseitige Kanäle 11. Theoretisch mögliche Strömungswege des Abgases sind durch Pfeile innerhalb des Schnittes gemäß Figur 2 angedeutet. Die abströmseitigen Kanäle 11 sind ebenfalls im Wesentlichen mit quadratischem Querschnitt benachbart zu den Kanälen 6 und mit diesen zu einem Kanalbündel im Inneren der Hülle 2 ausgebildet. Am Abströmquerschnitt 7 treten die im Dieselpartikelfilter 1 behandelten Gaskomponenten bzw. deren Behandlungsprodukte aus dem Dieselpartikelfilter 1 gemäß der Pfeile P2.
Die Innenwandungen der Kanäle 6 weisen bevorzugt eine nicht dargestellte Schicht aus hitzebeständigen Fasern auf, insbesondere aus Aluminiumoxid. Die Fasern an der Innenwandung der Kanäle 6 können zudem mit einer Beschichtung mit kataly- tisch aktiven Substanzen belegt sein, der zum Beispiel neben Platin und Palladium insbesondere Cer, Eisen und Vanadium beinhaltet.
Die Innenwandungen der abströmseitigen Kanäle 11 sind insbesondere mit einer ka- talytisch aktiven Beschichtung versehen, welche beispielsweise Platin und Palladium aufweist, durch welche die im Abgas vorhandenen teiloxidierten Komponenten weiter oxidiert werden bzw. die Diesel-Oxidationskatalyse stattfindet. Das weitgehend gereinigte bzw. gefilterte Abgas mit den oxidierten Bestandteilen verlässt gemäß Pfeil P2 den Dieselpartikelfilter 1.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung für die Behandlung von bei einer Verbrennung anfallenden Verbrennungsprodukten, welche die Vorrichtung (1) durchströmen, mit einem Partikelfilter für eine Partikelrückhaltung sowie katalytisch aktiven Abschnitten (9), wobei in Durchströmrichtung die Verbrennungsprodukte eine Anströmseite (6) und anschließend eine Abströmseite (11) passieren, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch aktiven Abschnitte (9) eine erste Schicht auf der Anströmseite (6) und eine zweite Schicht auf der Abströmseite (11) umfassen, wobei sich die katalytischen Wirkungen der Schichten voneinander unterscheiden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht ausgebildet ist, partikuläre Verbrennungsprodukte katalytisch zumindest teilweise zu o- xidieren.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht derart aufgebaut und auf die erste Schicht abgestimmt ist, auf der Anströmseite (6) bei der katalytischen zumindest teilweisen Oxidation der partikulären Verbrennungsprodukte gebildete Stoffe und/oder Stoffe, welche die Anströmseite (6) ohne katalytische Behandlung passieren, katalytisch zu behandeln.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht eine Mehrzahl von Faserelementen umfasst.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserelemente hochtemperaturbeständige Fasern umfassen.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserelemente der ersten Schicht mit einer auf die Behandlung von partikulären Verbrennungsprodukten abgestimmten katalytisch aktiven Beschichtung versehen sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der Faserelemente eine Rußoxidation katalysierende Bestandteile umfasst.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der Faserelemente zumindest einen der Katalysatorstoffe Cer, Eisen und Vanadium aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht zumindest einen der Katalysatorstoffe Platin und Palladium aufweist.
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