WO2004104388A1 - Abgasreinigungsanlage für eine brennkraftmaschine - Google Patents

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    • F01N3/206—Adding periodically or continuously substances to exhaust gases for promoting purification, e.g. catalytic material in liquid form, NOx reducing agents

Definitions

  • the invention relates to an exhaust gas purification system for an internal combustion engine according to the preamble of patent claim 1.
  • DE 197 18 727 C2 discloses a method for treating the exhaust gas of a diesel engine to reduce the particle emission by passing the diesel exhaust gas through two diesel exhaust gas catalysts connected in series in the form of honeycomb bodies with parallel flow channels, the wall surfaces of which are catalytically active Coating are provided.
  • the upstream first catalyst has a cell density of less than 40 to 80 flow channels per square centimeter, while the cell density of the downstream second catalyst is greater than that of the first catalyst.
  • the object of the present invention is to provide an exhaust gas purification system for an internal combustion engine which allows honeycomb catalysts with very high cell densities to be used for the purification of diesel exhaust gases, since a further tightening of the exhaust gas limit values for diesel engines not only reduces the particle emissions, but also requires a further improvement in the exhaust gas limit values for gaseous pollutants.
  • an exhaust gas purification system for an internal combustion engine for this purpose, which, viewed in the flow direction of the exhaust gas, has a particle filter close to the engine and at least one catalyst downstream of the particle filter, in which the at least one catalyst arranged downstream of the particle filter has a cell density range of approximately 900 to 2000 cpsi, preferably approximately 900 to 1600 cpsi.
  • a further developed according to claim 2 emission control system is provided with a catalytic coating. Furthermore, the at least one catalytic converter arranged downstream of the particle filter is a NO x storage catalytic converter and / or an SCR catalytic converter.
  • the at least one catalytic converter arranged downstream of the particle filter has the functions of a NO x storage catalytic converter and an SCR catalytic converter.
  • the filter undergoes in the close-coupled mounting position higher operating temperatures, ie, it benefits from the so-called CRT effect (Continuous Regeneration Trap), the reaction between N0 X and carbon black. This leads to a permanent soot regeneration of the particle filter, whereby the frequency of the active filter regeneration can be significantly reduced.
  • CRT effect Continuous Regeneration Trap
  • all restrictions in the selection of catalysts and / or supports are eliminated, since the contaminants from the diesel exhaust gas from the upstream particle filter are eliminated.
  • more powerful high-cell catalysts can be used, which would otherwise be added quickly due to the particle emissions described above.
  • Fig. 4 is a schematic representation of a third embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows an arrangement for exhaust gas aftertreatment from the prior art.
  • Particle filters and catalysts are used in combination in the exhaust gas of internal combustion engines.
  • the particle filter 1 the activity of which is temperature-independent, is installed remotely from the engine and others Catalysts A, B, C to reduce the gaseous pollutants that require higher temperatures for their activities, as close to the engine as possible.
  • This arrangement results in the catalytic converters starting early after the cold start.
  • the cell density of the catalysts is limited here by the particles from the exhaust gas in order to avoid clogging of the cells.
  • the arrangement for exhaust gas aftertreatment according to the invention in FIG. 2 shows a particle filter 1 arranged close to the engine.
  • the particle filter 1 can be arranged either in the exhaust manifold or before or after the exhaust gas turbocharger of the diesel engine.
  • the particle filter 1 can be regenerated, and in the case of soot separation in the diesel engine exhaust line, the regeneration by the oxidation of the soot either by nitrogen dioxide (N0 2 ) at a temperature above about 200 ° C. or with air or oxygen (0 2 ) eg temperatures above 500 ° C or by injection of an additive (eg a cerium compound).
  • N0 2 nitrogen dioxide
  • air or oxygen eg temperatures above 500 ° C
  • an additive eg a cerium compound
  • At least one catalyst 2, 3, 4 is arranged downstream of the particle filter 1 and has a cell density range of approximately 900 to 2000 cpsi, preferably a cell density range of approximately 900 to 1600 cpsi.
  • Metal, but preferably ceramic, catalysts are used for exhaust gas aftertreatment.
  • the catalysts used in the embodiment of 2 are preferably a NO x storage catalytic converter (NSK) (2) or an SCR catalytic converter (3).
  • FIG. 3 shows an example of a variant of the arrangement for exhaust gas aftertreatment from FIG. 1, for the sake of clarity the same reference numerals being used for identical or equivalent components and in this respect reference can be made to the description above for FIG. 1. Otherwise, the advantages mentioned in FIG. 2 and in the general part of the description also apply to the embodiment according to the invention in FIG. 3 and all the embodiments mentioned below.
  • 3 includes an NO x storage catalytic converter (NSK) (2) and then an SCR catalytic converter (3) in the exhaust gas flow direction downstream of an internal combustion engine, downstream of the particle filter 1 arranged close to the engine. The order can also be reversed, so that the SCR catalytic converter (3) is arranged in front of the NO x storage catalytic converter (NSK) (2).
  • FIG. 4 A further variant according to the invention is shown in FIG. 4, in which an integrated exhaust gas catalytic converter unit (4) with NO x storage catalytic converter (NSK) and SCR catalytic converter function is arranged behind the particle filter 1.
  • NNK NO x storage catalytic converter
  • SCR catalytic converter function is arranged behind the particle filter 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine, die in Strömungsrichtung des Abgases gesehen motornah einen Partikelfilter (1) und stromab des Partikelfilters (1) mindestens einen Katalysator (2, 3, 4) aufweist, bei der der stromab des Partikelfilters (1) angeordnete mindestens eine Katalysator (2, 3, 4) einen Zelldichtebereich von etwa 900 bis 2000 cpsi aufweist.

Description

Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Für die Reinigung von Abgasen aus Verbrennungsmotoren sind heute Katalysatoren und Filter im Einsatz, die die Emission der Abgasbestandteile HC, CO, NOx und Partikel mindern. Nach dem Stand der Technik werden niederzellige Katalysatoren für Abgase mit hoher Partikelbeladung gewählt, so dass durch Partikel/Ruß keine Nachteile durch das Anlagern und/oder Verstopfen der Katalysatorwaben zu erwarten sind. Auf der anderen Seite kann die Anwendung von dünnwandigen hochzelligen Katalysatoren vorteilhaft sein, da diese einen geringeren Bauraum beanspruchen, ein besseres Anspringen bei tieferen Temperaturen (light-off temperature) zeigen und eine verbesserte Effektivität durch die Erhöhung ihrer geometrischen Oberfläche zur Folge haben. Bei Wabenkatalysatoren bedeutet dies eine Erhöhung ihrer Zelldichte. Die Verwendung hochzelliger Monolithe für die Reinigung von Dieselabgasen wird jedoch durch Dieselpartikel behindert.
Aus der DE 197 18 727 C2 ist ein Verfahren zur Behandlung des Abgases eines Dieselmotors zur Verminderung der Partikelemission durch Leiten des Dieselabgases durch zwei hintereinander geschaltete Dieselabgaskatalysatoren in Form von Wabenkörpern mit parallelen Strömungskanälen bekannt, deren Wandflächen mit einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen sind. Der stromaufwärts befindliche erste Katalysator besitzt eine Zelldichte von weniger als 40 bis 80 Strömungskanälen pro Quadratzentimeter, während die Zelldichte des stromabwärts angeordneten zweiten Katalysators größer ist als die des ersten Katalysators. Durch diese Anordnung ist es möglich, für den zweiten Katalysator eine hohe Zelldichte zu wählen, die ohne Vorschaltung des niedrigzelligen Katalysators sehr schnell zu einer Verstopfung durch Abreaktion von Kohlenwasserstoffen und Dieselpartikeln führen würde.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, die es gestattet, Wabenkatalysatoren mit sehr hohen Zelldichten für die Reinigung von Dieselabgasen einzusetzen, da eine weitere Verschärfung der Abgasgrenzwerte für Dieselmotoren nicht nur eine Reduktion der Partikelemissionen, sondern auch eine weitere Verbesserung der Abgasgrenzwerte für gasförmige Schadstoffe notwendig macht.
Erfindungsgemäß ist hierzu eine Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine vorgesehen, die in Strömungsrichtung des Abgases gesehen motornah einen Partikelfilter und stromab des Partikelfilters mindestens einen Katalysator aufweist, bei der der stromab des Partikelfilters angeordnete mindestens eine Katalysator einen Zelldichtebereich von etwa 900 bis 2000 cpsi, vorzugsweise von etwa 900 bis 1600 cpsi, aufweist.
Eine nach Anspruch 2 weitergebildete Abgasreinigungsanlage ist mit einer katalytischen Beschichtung versehen. Ferner ist gemäß Anspruch 3 der stromab des Partikelfilters angeordnete mindestens eine Katalysator ein NOx-Speicherkatalysator und/oder ein SCR-Katalysator .
In einer vorteilhaften Ausführung nach Anspruch 4 weist der stromab des Partikelfilters angeordnete mindestens eine Katalysator die Funktionen eines NOx- Speicherkatalysators und eines SCR-Katalysators auf.
Durch die Anordnung des Partikelfilters an erster Stelle hinter dem Motor ergeben sich mehrere Vorteile. Zum einen erfährt der Filter in der motornahen Einbauposition höhere Betriebstemperaturen, d.h. er profitiert von dem sogenannten CRT-Effekt (Continuous Regeneration Trap) , der Reaktion zwischen N0X und Ruß. Dies führt zu einer permanenten Rußregeneration des Partikelfilters, wodurch die Häufigkeit der aktiven Filterregenerationen deutlich abgesenkt werden kann. Zum anderen entfallen alle Einschränkungen bei der Katalysator- und/oder Trägerauswahl, da die Verunreinigungen aus dem Dieselabgas durch den vorgeschalteten Partikelfilter entfallen. Vorteilhafterweise können daher leistungsfähigere hochzellige Katalysatoren zum Einsatz kommen, die durch die vorbeschriebenen Partikelemissionen sonst schnell zugesetzt würden. Der Einsatz hochzelliger Katalysatoren im Anschluß an den Partikelfilter äußert sich in vorteilhafter Weise in einer Volumeneinsparung, einem verbesserten Kaltstartverhalten und einem besseren Umsatz bei der Schadstoffreduktion. Ferner kann aufgrund der höheren geometrischen Oberfläche die Schichtdicke der Katalysatorbeschichtung mit Edelmetallen reduziert werden. Dies vermindert auch die Transporthemmungen der ablaufenden chemischen Prozesse. Zudem werden ferner alle festen (z.B. Zn, P, Ca, Fe) und größtenteils auch Schwefel-haltige Verunreinigungen im Partikelfilter, die zu Vergiftungserscheinigungen der nachfolgenden Komponenten führen können, zurückgehalten. Damit verbessert sich als ein weiterer Vorteil das Alterungsverhalten dieser nachgeschalteten Komponenten wie z.B. Katalysatoren, Sensoren etc., und erhöht damit die Lebensdauer dieser Komponenten nachhaltig. Es können auch Sensoren Einsatz finden, die normalerweise im partikelbeladenen Abgas nicht verwendet werden konnten.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung mehrere bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Dabei zeigt in beispielhafter Weise:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Abgasnachbehandlung aus dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
Die schematische Darstellung der Fig. 1 zeigt eine Anordnung zur Abgasnachbehandlung aus dem Stand der Technik. Hierbei werden Partikelfilter und Katalysatoren im Abgas von Verbrennungsmotoren kombiniert eingesetzt. In Fig. 1 wird der Partikelfilter 1, dessen Aktivität temperaturunabhängig ist, motorfern eingebaut und andere Katalysatoren A, B, C zur Reduktion der gasförmigen Schadstoffe, die höhere Temperaturen für ihre Aktivitäten benötigen, möglichst motornah. Aus dieser Anordnung ergibt sich ein frühes Anspringen der Katalysatoren nach dem Kaltstart. Die Zelldichte der Katalysatoren wird hier durch die Partikel aus dem Abgas limitiert, um ein Verstopfen der Zellen zu vermeiden.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Abgasnachbehandlung in Fig. 2 zeigt einen motornah angeordneten Partikelfilter 1. Dies bedeutet, dass der Partikelfilter 1 entweder im Abgaskrümmer oder vor oder nach dem Abgasturbolader des Dieselmotors angeordnet sein kann. Der Partikelfilter 1 ist regenerierbar, wobei im Falle der Rußabscheidung im Dieselmotor-Abgasstrang die Regeneration durch die Oxidation des Rußes entweder durch Stickstoffdioxid (N02) bei einer Temperatur oberhalb von etwa 200 °C oder mit Luft bzw. Sauerstoff (02) thermisch bei z.B. Temperaturen oberhalb 500 °C oder durch Einspritzung eines Additivs (z.B. eine Cer-Verbindung) erfolgt. Die Rußregeneration mittels N02 über den Mechanismus der „Continuous Regeneration Trap" nach C + 2 N02 -» C02 + 2 NO erfordert jedoch entweder einen Oxidationskatalysator vor dem Partikelfilter 1 zur Oxidation des NO zu N02 oder einen Partikelfilter 1 mit einer entsprechenden katalytischen Beschichtung.
Stromab des Partikelfilters 1 ist mindestens ein Katalysator 2, 3, 4 angeordnet, der einen Zelldichtebereich von etwa 900 bis 2000 cpsi, vorzugsweise einen Zelldichtebereich von etwa 900 bis 1600 cpsi aufweist. Zur Abgasnachbehandlung finden Metall-, bevorzugt jedoch Keramik-Katalysatoren Einsatz. Die verwendeten Katalysatoren im Ausführungsbeispiel von Fig. 2 sind vorzugsweise ein NOx-Speicherkatalysator (NSK) (2) oder ein SCR-Katalysator (3) . Bei Verwendung schwefelhaltiger Kraftstoffe der heute üblichen Art werden an den katalytisch wirksamen Oberflächen der zur Abgasreinigung von mager betriebenen Brennkraftmaschinen eingesetzten Katalysatoreinrichtungen, wie z.B. den NOx- Speicherkatalysatoren stets auch stabile Sulfate gebildet, die zu einer schleichenden Vergiftung und damit zu einer allmählichen Desaktivierung der verwendeten Katalysatoreinrichtung führen. Die Verwendung von hochzelligen Katalysatoren führt daher in vorteilhafter Weise außer den bereits genannten Vorteilen noch zu einer Verbesserung der NOx- und der SOx-Regeneration des NSK. Bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Entschwefelung eines der Partikelfalle nachgeschalteten NSK-Katalysators werden auch sulfathaltige Bestandteile im Filter reduziert und führen somit günstigerweise zu einer Verminderung des Asche-induzierten Gegendrucks.
Fig. 3 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäße Variante der Anordnung zur Abgasnachbehandlung von Fig. 1, wobei der Übersichtlichkeit halber für gleiche oder gleichwirkende Komponenten dieselben Bezugszeichen verwendet werden und insoweit auf die obige Beschreibung zu Fig. 1 verwiesen werden kann. Im übrigen gelten die in Fig. 2 und im allgemeinen Teil der Beschreibung genannten Vorteile ebenfalls für die erfindungsgemäße Ausführung in Fig. 3 und alle nachgenannten Ausführungsformen. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung von Fig. 3 beinhaltet in Abgasströmungsrichtung hinter einer Brennkraftmaschine, dem motornah angeordneten Partikelfilter 1 nachgeschaltet, einen NOx-Speicherkatalysator (NSK) (2) und im Anschluß daran einen SCR-Katalysator (3) . Die Reihenfolge kann auch umgekehrt gewählt werden, so dass der SCR-Katalysator (3) vor dem NOx-Speicherkatalysator (NSK) (2) angeordnet ist.
Eine weitere erfindungsgemäße Variante ist in Fig. 4 dargestellt, in dem hinter dem Partikelfilter 1 eine integrierte Abgaskatalysatoreinheit (4) mit NOx- Speicherkatalysator- (NSK) und SCR-Katalysator-Funktion angeordnet ist.
Hinter allen genannten Ausführungsbeispielen können noch weitere zur Abgasnachbehandlung hilfreiche Komponenten angeordnet sein.

Claims

Patentansprüche
1. Abgasreinigungsanlage für eine Brennkraftmaschine, die in Strömungsrichtung des Abgases gesehen motornah einen Partikelfilter (1) und stromab des Partikelfilters (1) mindestens einen Katalysator (2, 3, 4) aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der stromab des Partikelfilters (1) angeordnete mindestens eine Katalysator (2, 3, 4) einen Zelldichtebereich von etwa 900 bis 2000 cpsi aufweist.
2. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Partikelfilter (1) mit einer katalytischen Beschichtung versehen ist.
3. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der stromab des Partikelfilters (1) angeordnete mindestens eine Katalysator ein NOχ-
Speicherkatalysator (2) und/oder ein SCR-Katalysator (3) ist.
4. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der stromab des Partikelfilters (1) angeordnete mindestens eine Katalysator (4) die Funktionen eines NOx-Speicherkatalysators und eines SCR-Katalysators aufweist .
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