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DE10323245A1 - Process for cleaning the exhaust gas of a diesel engine using a diesel oxidation catalytic converter - Google Patents

Process for cleaning the exhaust gas of a diesel engine using a diesel oxidation catalytic converter Download PDF

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DE10323245A1
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exhaust gas
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diesel
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German (de)
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Jürgen Dr. Gieshoff
Ulrich Dr. Neuhausen
Marcus Dr. Pfeifer
Thomas Dr. Kreuzer
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Umicore AG and Co KG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung des Abgases eines modernen Dieselmotors mit Hilfe eines Diesel-Oxidationskatalysators. Im niedrigen Lastbereich weisen solche Dieselmotoren eine Abgastemperatur auf, die unterhalb der Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators liegen kann. Hierdurch kommt es zu einer ungenügenden Schadstoffumsetzung während Betriebsphasen des Dieselmotors mit niedrigen Lasten und zur Versottung des Katalysators. Das erfindungsgemäße Verfahren löst das Problem unter anderem dadurch, daß während Betriebsphasen des Motors mit geringer Last und niedriger Abgastemperatur, die geringer als eine Minimaltemperatur ist, die Katalysatortemperatur auf wenigstens diese Minimaltemperatur erhöht wird, wobei die Minimaltemperatur des Katalysators einen ausreichenden Schadstoffumsatz gewährleistet.The invention relates to a method and a device for cleaning the exhaust gas of a modern diesel engine with the aid of a diesel oxidation catalyst. In the low load range, such diesel engines have an exhaust gas temperature that can be below the light-off temperature of the oxidation catalytic converter. This leads to an insufficient conversion of pollutants during operating phases of the diesel engine with low loads and to the sooting of the catalytic converter. The method according to the invention solves the problem, inter alia, that during operating phases of the engine with a low load and low exhaust gas temperature, which is less than a minimum temperature, the catalyst temperature is increased to at least this minimum temperature, the minimum temperature of the catalyst ensuring a sufficient conversion of pollutants.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasreinigung eines Dieselmotors mit Hilfe eines Diesel-Oxidationskatalysators.The The present invention relates to a method for exhaust gas purification a diesel engine with the help of a diesel oxidation catalyst.

Die Primärschadstoffe von Dieselmotoren sind neben den sehr geringen Mengen an Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NOx) und Partikel (PM). Die Partikel setzen sich aus einem in organischen Lösungsmitteln löslichen und unlöslichen Bestandteil zusammen. Der lösliche Anteil besteht aus einer Vielzahl von verschiedenen Kohlenwasserstoffen, die auf dem Partikelkern kondensiert, beziehungsweise ad- oder absorbiert sind. Der unlösliche Bestandteil ist Schwefeltrioxid oder auch Sulfat, Kohlenstoff, Metallabrieb (zum Beispiel Eisen und Nickel) und in geringen Mengen andere Oxide als Folgeprodukte von Additiven im Schmieröl und im Kraftstoff (zum Beispiel Zink, Calcium, Phosphor). Schwefeltrioxid entsteht durch Oxidation des Schwefeldioxids am Katalysator in Abhängigkeit von Temperatur, Edelmetallbeladung und Abgasfluß. Ein besonderes Charakteristikum von Dieselmotoren ist ihr hoher Sauerstoffgehalt im Abgas. Während das Abgas von stöchiometrisch betriebenen Benzinmotoren nur etwa 0,7 Vol.-% Sauerstoff enthält, kann das Abgas von Dieselmotoren zwischen 6 und 15 Vol.-% Sauerstoff aufweisen.The primary pollutants of diesel engines are in addition to the very small amounts of hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO), nitrogen oxides (NOx) and particles (PM). The particles consist of one in organic solvents soluble and insoluble Component together. The soluble Share consists of a variety of different hydrocarbons, which condenses on the particle core, or ad- or absorbed are. The insoluble Ingredient is sulfur trioxide or sulfate, carbon, metal abrasion (for Example iron and nickel) and in small quantities other than oxides Subsequent products of additives in lubricating oil and fuel (for example Zinc, calcium, phosphorus). Sulfur trioxide is created by oxidation of sulfur dioxide on the catalyst depending on temperature, precious metal loading and exhaust gas flow. A special characteristic of diesel engines is their high Oxygen content in the exhaust gas. While the exhaust gas from stoichiometric powered petrol engines can contain only about 0.7 vol .-% oxygen the exhaust gas of diesel engines between 6 and 15 vol .-% oxygen exhibit.

Das Mengenverhältnis der verschiedenen Schadstoffe des Dieselabgases zueinander hängt von der Art des Dieselmotors und seiner Betriebsweise ab. Prinzipiell gelten die gemachten Angaben sowohl für stationäre Dieselmotoren als auch für Dieselmotoren in Kraftfahrzeugen für leichte und schwere Anwendungen.The ratio The different pollutants of the diesel exhaust gas depend on each other the type of diesel engine and its mode of operation. in principle the information given applies to both stationary diesel engines and diesel engines in motor vehicles for light and heavy applications.

Die zulässigen Emissionen von Dieselmotoren sind durch gesetzliche Obergrenzen festgelegt. Zur Einhaltung dieser Grenzwerte werden je nach Art des Dieselmotors und seiner Betriebsweise verschiedene Konzepte verfolgt.The permissible Emissions from diesel engines are due to legal upper limits established. To comply with these limit values, depending on the type of Diesel engine and its mode of operation pursues different concepts.

Für Dieselmotoren geringerer Leistung in Personenkraftwagen ist es häufig ausreichend das Abgas über einen sogenannten Diesel-Oxidationskatalysator zu leiten, der die emittierten Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und zum Teil auch die auf den Rußpartikeln adsorbierten, löslichen organischen Verbindungen verbrennt. Die Oxidationsfunktion der Diesel-Oxidationskatalysatoren ist dabei so ausgelegt, daß sie zwar die organischen Verbindungen und Kohlenmonoxid oxidiert, jedoch nicht die Stickoxide und Schwefeldioxid zu noch höher oxidierten Spezies umsetzt. Zusammen mit dem restlichen Anteil der Partikel verlassen die Stickoxide und Schwefeldioxid den Katalysator nahezu unverändert. Ein typischer Vertreter dieser Katalysatoren wird in der DE 39 40 758 A1 ( US 5,157,007 ) beschrieben.For diesel engines of lower power in passenger cars, it is often sufficient to pass the exhaust gas over a so-called diesel oxidation catalyst, which burns the emitted hydrocarbons, carbon monoxide and in part also the soluble organic compounds adsorbed on the soot particles. The oxidation function of the diesel oxidation catalytic converters is designed so that although it oxidizes the organic compounds and carbon monoxide, it does not convert the nitrogen oxides and sulfur dioxide to even more highly oxidized species. Together with the rest of the particles, the nitrogen oxides and sulfur dioxide leave the catalyst almost unchanged. A typical representative of these catalysts is in the DE 39 40 758 A1 ( US 5,157,007 ) described.

Die Umsetzung der Schadstoffe durch solche Katalysatoren ist stark von der Temperatur abhängig. Für Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe nimmt die Umsetzung der Schadstoffe mit steigender Abgastemperatur zu. Die Temperatur, bei der ein Schadstoff zu einem vorgegebenen Prozentsatz, gewöhnlich 50 %, umgesetzt wird, wird als die Anspringtemperatur des Katalysators für die Umsetzung dieses Schadstoffes bezeichnet. Sie ist eine wichtige Kenngröße für die Beschreibung der katalytischen Aktivität des Katalysators.The Implementation of pollutants by such catalysts is strong depending on the temperature. For carbon monoxide and hydrocarbons the conversion of pollutants increases with increasing exhaust gas temperature to. The temperature at which a pollutant becomes a given Percentage, ordinary 50%, is implemented as the light-off temperature of the catalyst for the Implementation of this pollutant. It is an important one Parameter for the description of catalytic activity of the catalyst.

In Abhängigkeit von der Betriebsweise des Fahrzeugs und damit der Drehzahl des Motors und der Last stellen sich die Abgasmengen, die Abgaszusammensetzung und die Abgastemperatur ein. Die Entwicklung von Dieselmotoren hat durch Optimierung der Verbrennung zu einer Verminderung der Abgastemperaturen geführt. Die Abgastemperatur von modernen Dieselmotoren beträgt zum Beispiel im niedrigen Lastbereich nur noch 100 bis 200 °C. Nur bei Vollast steigt die Abgastemperatur über 300 °C an.In dependence on the mode of operation of the vehicle and thus the speed of the engine and the load, the amounts of exhaust gas, the exhaust gas composition and the exhaust gas temperature. The development of diesel engines has by optimizing combustion to reduce exhaust gas temperatures guided. For example, the exhaust gas temperature of modern diesel engines is only 100 to 200 ° C in the low load range. It only increases at full load Exhaust gas temperature above 300 ° C.

Die geringen Abgastemperaturen stellen eine großes Problem bei der Abgasreinigung dar, da sie teilweise unterhalb der Anspringtemperaturen des Katalysators liegen. Sinkt also die Abgastemperatur des Dieselmotors während des Betriebs wegen momentan geringer Belastung unter die Anspringtemperatur des Katalysators, so „erlischt" er, das heißt die im Abgas enthaltenen Schadstoffe werden vom Katalysator nicht mehr umgesetzt und werden somit an die Umwelt abgegeben. Erst bei wieder steigender Belastung des Motors überschreitet die Abgastemperatur die Anspringtemperatur des Katalysators und die Schadstoffumsetzung setzt wieder ein. Solche Betriebszustände treten besonders bei Diesel-PKW im Stadtverkehr auf und tragen wesentlich zu den noch verbliebenen Emissionen im Straßenverkehr bei.The Low exhaust gas temperatures pose a major problem in exhaust gas cleaning because they are partially below the light-off temperature of the catalyst lie. So does the exhaust gas temperature of the diesel engine decrease during the Operation due to the current low load below the light-off temperature of the catalytic converter, it "goes out", that is to say in the The catalytic converter no longer removes pollutants implemented and are thus released to the environment. Only at again increasing load on the engine the exhaust gas temperature, the light-off temperature of the catalyst and the pollutant conversion starts again. Such operating states occur especially with diesel cars in city traffic and contribute significantly the remaining emissions from road traffic.

Ein weiteres Problem auf Grund der geringen Abgastemperaturen ist die Versottung des Katalysators. Infolge der geringen Abgastemperaturen lagern sich unverbrannte Kohlenwasserstoffe, flüchtige organische Verbindungen und Partikel auf der katalytischen Beschichtung ab und vermindern ihre katalytischen Aktivität. Darüber hinaus besteht die Gefahr, daß die auf dem Katalysator abgelagerten brennbaren Komponenten schlagartig unter Freisetzung großer Wärmemengen verbrennen, wenn die Abgastemperatur bei zufälligen Betriebsweisen mit hoher Belastung über die entsprechende Zündtemperatur für diese Komponenten ansteigt. Folge davon kann eine thermische Schädigung der katalytischen Aktivität des Katalysators sein.On Another problem due to the low exhaust gas temperatures is Sooting the catalyst. As a result of the low exhaust gas temperatures unburned hydrocarbons, volatile organic compounds are stored and particles on the catalytic coating and reduce their catalytic activity. About that there is also a risk that the flammable components deposited on the catalyst suddenly releasing large amounts of heat burn if the exhaust gas temperature in the case of random operating modes with a high load exceeds the appropriate ignition temperature for this Components increases. This can result in thermal damage to the catalytic activity of the catalyst.

Diesen Problemen kann zum Teil dadurch begegnet werden, daß der Katalysator möglichst nah am Motor angeordnet wird, was aber aus Platzgründen häufig nicht möglich ist. Weiterhin kann die Anspringtemperatur des Katalysators durch Erhöhen der Edelmetallbeladung verringert werden. Edelmetallbeladungen von mehr als 100 Gramm pro Liter des Katalysatorvolumens sind hierfür keine Seltenheit und mit entsprechend hohen Kosten verbunden.These problems can be countered in part by making the catalyst as close as possible is arranged on the engine, which is often not possible due to space constraints. Furthermore, the starting temperature of the catalyst can be reduced by increasing the noble metal loading. Precious metal loads of more than 100 grams per liter of the catalyst volume are not uncommon for this and are associated with correspondingly high costs.

Die vorliegende Erfindung soll die beschriebenen Nachteile (mangelhafte Schadstoffumsetzung bei geringer Belastung des Dieselmotors; Versottung des Katalysators; hohe Edelmetallbeladungen) durch Angabe eines geeigneten Verfahrens zur Abgasreinigung beheben.The The present invention is intended to address the disadvantages described (poor Pollutant conversion with low load on the diesel engine; Sooting the catalyst; high precious metal loads) by specifying a suitable one Eliminate exhaust gas cleaning procedure.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Reinigung des Abgases eines Dieselmotors mit Hilfe eines Diesel-Oxidationskatalysators gelöst, wobei der Dieselmotor eine Rohemission an Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid besitzt und das Abgas eine Abgastemperatur und der Katalysator eine Katalysatortemperatur aufweisen. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß während Betriebsphasen des Motors mit geringer Last und niedriger Abgastemperatur, die geringer als eine Minimaltemperatur ist, die Katalysatortemperatur auf wenigstens diese Minimaltemperatur erhöht wird.This Task is achieved by a method for purifying the exhaust gas Diesel engine solved with the help of a diesel oxidation catalyst, the Diesel engine a raw emission of hydrocarbons and carbon monoxide and the exhaust gas has an exhaust gas temperature and the catalytic converter has one Have catalyst temperature. The process is characterized by that during operational phases of the Engine with low load and low exhaust gas temperature, the lower than a minimum temperature, the catalyst temperature to at least this minimum temperature increases becomes.

Der Katalysator wird durch das Abgas aufgeheizt. Seine Temperatur am Eingang folgt daher im Rahmen seiner thermischen Trägheit der Temperatur des eintretenden Abgases. Durch die Schadstoffumsetzung am Katalysator wird Wärme freigesetzt, die sowohl den Katalysator und das Abgas aufheizt.The The catalyst is heated by the exhaust gas. His temperature on The entrance follows the thermal inertia of the Exhaust gas temperature. Through the conversion of pollutants there is heat on the catalytic converter released, which heats up both the catalytic converter and the exhaust gas.

Wie schon dargelegt, besteht ein großes Problem bei der Abgasreinigung von Dieselmotoren darin, daß die Abgastemperatur bei geringer Last unter die Anspringtemperaturen des Katalysators für die Oxidation von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen fallen kann, die bei modernen Dieseloxidationskatalysatoren im Bereich zwischen 100 und 200 °C liegen.How already explained, there is a big problem with exhaust gas cleaning of diesel engines in that the Exhaust gas temperature at low load below the light-off temperature of the catalyst for the Oxidation of carbon monoxide and hydrocarbons can fall that in modern diesel oxidation catalysts in the area between 100 and 200 ° C lie.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Schadstoffumsetzung am Katalysator über einen Fahrzyklus deutlich verbessert werden, wenn durch noch zu besprechende Maßnahmen die Katalysatortemperatur während Betriebsphasen mit geringer Last, also während Betriebsphasen mit einer Abgastemperatur unterhalb der Anspringtemperatur des Katalysators, mindestens auf die Minimaltemperatur angehoben wird, wobei man diese Minimaltemperatur gleich oder größer der Anspringtemperatur für die Oxidation von Kohlenmonoxid wählen wird, um einen ausreichenden Umsatz von Kohlenmonoxid sicherzustellen. Bevorzugt wird die Minimaltemperatur 10 bis 30 °C höher gewählt als die Anspringtemperatur. Bei konventionellen Oxidationskatalysatoren liegt die Minimaltemperatur bevorzugt im Intervall zwischen 150 und 180 °C.According to the inventive method can the pollutant conversion on the catalyst over a driving cycle clearly be improved if through measures to be discussed the catalyst temperature during Operating phases with low load, i.e. during operating phases with an exhaust gas temperature below the light-off temperature of the catalyst, at least the minimum temperature is raised, taking this minimum temperature equal to or greater than that Starting temperature for The oxidation of carbon monoxide will choose to be sufficient Ensure sales of carbon monoxide. The minimum temperature is preferred 10 to 30 ° C chosen higher than the light off temperature. With conventional oxidation catalysts the minimum temperature is preferably in the interval between 150 and 180 ° C.

Das vorgeschlagene Verfahren gewährleistet, daß der Oxidationskatalysator während des gesamten Betriebs des Dieselmotors (mit Ausnahme der Kaltstartphase) oberhalb der Anspringtemperatur für die Umsetzung der Schadstoffe betrieben wird, was zu einer Verringerung der Schadstoffemission über den Fahrzyklus führt.The proposed procedure ensures that the Oxidation catalyst during of the entire operation of the diesel engine (with the exception of the cold start phase) above the light-off temperature for the implementation of the pollutants is operated, which leads to a reduction in pollutant emissions over the Driving cycle leads.

Gleichzeitig wird durch das Verfahren verhindert, daß der Katalysator versottet, das heißt es wird verhindert, daß wegen zu geringer Abgastemperatur sich große Mengen von Kohlenwasserstoffen auf dem Katalysator ablagern, ohne umgesetzt zu werden. Vielmehr erfolgt durch die Anwendung des Verfahrens eine kontinuierliche Verbrennung der Kohlenwasserstoffe. Hohe Temperaturspitzen bei plötzlich schlagartig auftretender Verbrennung von auf dem Katalysator akkumulierten Kohlenwasserstoffen können deshalb nicht auftreten.simultaneously the process prevents the catalyst from soaking, this means it is prevented because of too low exhaust gas temperature there are large amounts of hydrocarbons deposit on the catalyst without being reacted. Much more the process is continuous Combustion of hydrocarbons. High temperature peaks when suddenly sudden Combustion of hydrocarbons accumulated on the catalyst can therefore occur do not occur.

Außerdem gestattet es das Verfahren, die Edelmetallbeladung des Katalysators deutlich zu verringern. Während gemäß dem Stand der Technik versucht wird, den Oxidationskatalysator durch hohe Edelmetallbeladungen mit einer niedrigen Anspringtemperatur auszustatten, wird gemäß dem vorliegenden Verfahren die Temperatur des Katalysators auf seine Anspringtemperatur angehoben. Die Höhe der Edelmetallbeladung ist daher nicht mehr durch die geforderte Schadstoffumsetzung bedingt, sondern kann weitgehend nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten optimiert werden.Also allowed the process, the precious metal loading of the catalyst clearly to reduce. While according to the status The technology is attempting the oxidation catalyst through high precious metal loads To equip with a low light-off temperature, according to the present Process the temperature of the catalyst to its light-off temperature raised. The height the precious metal loading is therefore no longer required by the Pollutant conversion conditional, but can largely be based on economic Aspects are optimized.

Für die Erhöhung der Temperatur des Katalysators werden verschiedene Strategien vorgeschlagen:
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird die Katalysatortemperatur dadurch erhöht, daß die Abgastemperatur vor Eintritt in den Oxidationskatalysator auf die vorab festgelegte Minimaltemperatur angehoben wird. Bevorzugt sollte die Abgastemperatur auf mindestens 10 °C und insbesondere auf mindestens 20 °C über die Anspringtemperatur für die Schadstoffe angehoben werden.
Various strategies are proposed for increasing the temperature of the catalyst:
According to a first embodiment of the invention, the catalyst temperature is increased in that the exhaust gas temperature is raised to the predetermined minimum temperature before entering the oxidation catalyst. The exhaust gas temperature should preferably be raised to at least 10 ° C. and in particular to at least 20 ° C. above the light-off temperature for the pollutants.

Die Abgastemperatur kann durch Nacheinspritzen von Kraftstoff in die Zylinder des Dieselmotors, durch Einstellen einer späten Verbrennungslage am Motor oder durch mehrstufige Verbrennung angehoben werden. Generell kann die Abgastemperatur eines Dieselmotors dadurch erhöht werden, daß die Motorabstimmung und damit der Wirkungsgrad des Motors verschlechtert wird.The Exhaust gas temperature can be reduced by injecting fuel into the Cylinder of the diesel engine, by setting a late combustion position on Engine or be raised by multi-stage combustion. As a general rule the exhaust gas temperature of a diesel engine can be increased that engine tuning and thus the efficiency of the engine is deteriorated.

Moderne Dieselmotoren sind mit einer elektronischen Motorsteuerung ausgerüstet. Im Normalbetrieb sorgt die Motorsteuerung dafür, daß der Dieselmotor mit optimaler Abstimmung, das heißt mit optimalem Wirkungsgrad betrieben wird. Das führt zu entsprechend geringen Abgastemperaturen.Modern diesel engines are equipped with an electronic engine control. In normal operation, the engine control ensures that the diesel engine is optimally tuned, i.e. with op efficiency is operated. This leads to correspondingly low exhaust gas temperatures.

Der Übergang vom Normalbetrieb des Motors in einen Betrieb mit erhöhter Abgastemperatur kann von der elektronischen Motorsteuerung eingeleitet werden. Im Speicher der elektronischen Motorsteuerung sind gewöhnlich die sogenannten Motorkennfelder hinterlegt. Zu jedem Betriebspunkt des Motors gegeben durch Drehzahl und Lastzustand, das heißt Drehmoment, kann vorab die Abgastemperatur ermittelt werden. Damit sind diejenigen Betriebspunkte bekannt, bei denen die Abgastemperatur unterhalb der Anspringtemperatur des Oxidationskatalysators liegt. Das Steuerungsprogramm der Motorsteuerung kann also an Hand der Betriebsdaten des Motors den Eintritt in Betriebsphasen mit geringer Last (geringer Abgastemperatur) erkennen und die Abgastemperatur während der Dauer dieser Betriebsphasen durch eine der vorgenannten Maßnahmen auf mindestens die Minimaltemperatur erhöhen. Beim Wechsel zu Betriebsphasen mit ausreichend hoher Abgastemperatur werden diese Maßnahmen wieder rückgängig gemacht.The transition from normal operation of the engine to operation with increased exhaust gas temperature be initiated by the electronic engine control. In the storage room the electronic engine control are usually the so-called engine maps deposited. At each operating point of the engine given by speed and load condition, that is Torque, the exhaust gas temperature can be determined in advance. In order to those operating points are known at which the exhaust gas temperature is below the light-off temperature of the oxidation catalyst. The control program of the engine control can therefore be based on the Operating data of the engine the entry into operating phases with low load (low exhaust gas temperature) and the exhaust gas temperature during the Duration of these operating phases by one of the aforementioned measures increase at least the minimum temperature. When changing to operating phases with sufficiently high exhaust gas temperature, these measures will be taken again reversed.

Alternativ hierzu kann der Eintritt in Betriebsphasen mit niedriger Abgastemperatur auch direkt durch Messen der Abgastemperatur vor dem Katalysator ermittelt werden. Hierzu wird ein Temperaturfühler in der Abgasleitung vor dem Katalysator angebracht und sein Ausgangssignal der Motorsteuerung zugeführt.alternative this can occur during operating phases with low exhaust gas temperatures also directly by measuring the exhaust gas temperature upstream of the catalytic converter be determined. For this purpose, a temperature sensor is placed in the exhaust pipe attached to the catalyst and its output signal supplied to the engine control.

Für die Erhöhung der Abgastemperatur wird ein leicht erhöhter Kraftstoffverbrauch in Kauf genommen. Dieser Mehrverbrauch ist jedoch gering, da die Abgastemperatur nur geringfügig erhöht werden muß, um eine wesentlich erhöhte Schadstoffumsetzung oberhalb der Anspringtemperatur des Katalysators zu erzielen.For increasing the Exhaust gas temperature will increase fuel consumption slightly Taken purchase. However, this additional consumption is low because the exhaust gas temperature only marginally elevated must become, by a significantly increased Pollutant conversion above the light-off temperature of the catalyst to achieve.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung kann die Temperatur des Oxidationskatalysators bei geringer Last durch elektrische Beheizung des Katalysators erhöht werden. Dadurch wird gewährleistet, daß der Katalysator auch während dieser Betriebsphasen aktiv bleibt.According to one second embodiment In the invention, the temperature of the oxidation catalyst can low load can be increased by electrical heating of the catalyst. This ensures that the Catalyst also during of these operating phases remains active.

Die Erfindung wird jetzt an Hand der 1 und 4 näher erläutert. Es zeigenThe invention is now based on the 1 and 4 explained in more detail. Show it

1: Einen Dieselmotor mit einem für das Abgasreinigungsverfahren geeigneten Abgassystem mit Oxidationskatalysator 1 : A diesel engine with an exhaust system with oxidation catalytic converter suitable for the exhaust gas purification process

2: Beispielhafter Verlauf der Abgastemperatur während des Betriebs eines Dieselmotors 2 : Exemplary course of the exhaust gas temperature during the operation of a diesel engine

3: Realer Verlauf der Abgastemperatur eines Fahrzeugs mit 2,0 l Dieselmotor während eines NEDC-Zyklus (NEDC = New European Driving Cycle) sowie erfindungsgemäß korrigierte Temperaturverlauf 3 : Real course of the exhaust gas temperature of a vehicle with a 2.0 l diesel engine during a NEDC cycle (NEDC = New European Driving Cycle) and temperature course corrected according to the invention

4: Berechnete CO und HC-Emissionen des Dieselfahrzeugs hinter einem Diesel-Oxidationskatalysator für den Temperaturverlauf von 3 sowie für 3 erfindungsgemäß veränderte Temperaturverläufe 4 : Calculated CO and HC emissions of the diesel vehicle behind a diesel oxidation catalytic converter for the temperature profile of 3 and for 3 changes in temperature according to the invention

1 zeigt einen Dieselmotor (1) mit einer Abgasleitung (2). Kurz hinter dem Dieselmotor ist ein Diesel-Oxidationskatalysator (3) in der Abgasleitung angeordnet. (4) bezeichnet einen Schalldämpfer. (5) bezeichnet die elektronische Motorsteuerung des Dieselmotors. Über Datenleitungen (6) werden Meßsignale über den Betriebszustand des Motors an die Motorsteuerung und im Gegenzug Steuersignale an den Motor übertragen. (7) bezeichnet einen Temperaturfühler für die Temperatur des Abgases vor dem Eintritt in den Oxidationskatalysator (3). Der Temperaturfühler (7) ist über die Leitung (8) mit der Motorsteuerung verbunden. 1 shows a diesel engine ( 1 ) with an exhaust pipe ( 2 ). Just behind the diesel engine is a diesel oxidation catalyst ( 3 ) arranged in the exhaust pipe. ( 4 ) denotes a silencer. ( 5 ) denotes the electronic engine control of the diesel engine. Via data lines ( 6 ) Measurement signals are transmitted to the engine control system via the operating state of the engine and, in return, control signals to the engine. ( 7 ) denotes a temperature sensor for the temperature of the exhaust gas before entering the oxidation catalytic converter ( 3 ). The temperature sensor ( 7 ) is over the line ( 8th ) connected to the engine control.

2 zeigt schematisch den Temperaturverlauf (10) des Abgases vor dem Oxidationskatalysator während eines Fahrzyklusses mit wechselnder Belastung. Grenzlinie (30) gibt die Anspringtemperatur des Katalysators für die Oxidation von Kohlenwasserstoffen an. Wie aus dem Diagramm ersichtlich, sinkt die Abgastemperatur während Betriebsphasen des Motors mit geringer Belastung unter die Anspringtemperatur des Katalysators. Während dieser Betriebsphasen „erlischt" der Katalysator. Er ist nicht mehr in der Lage, die Schadstoffe zu konvertieren. Durch geeignete Maßnahmen am Motor wird erfindungsgemäß die Abgastemperatur während der Dauer Δt dieser Betriebsphasen auf eine Temperatur (Minimaltemperatur) gleich oder oberhalb der Anspringtemperatur angehoben. Bevorzugt wird die Temperatur um einen Wert ΔT von 10 bis 30 °C über die Anspringtemperatur angehoben. 2 shows schematically the temperature curve ( 10 ) of the exhaust gas upstream of the oxidation catalytic converter during a driving cycle with changing loads. Boundary line ( 30 ) indicates the light-off temperature of the catalyst for the oxidation of hydrocarbons. As can be seen from the diagram, the exhaust gas temperature falls below the light-off temperature of the catalytic converter during operating phases of the engine with low loads. During these operating phases, the catalytic converter "goes out". It is no longer able to convert the pollutants. According to the invention, suitable measures on the engine raise the exhaust gas temperature to a temperature (minimum temperature) equal to or above the light-off temperature during the duration Δt of these operating phases. The temperature is preferably raised by a value ΔT of 10 to 30 ° C. above the light-off temperature.

Zur Temperaturerhöhung durch späte Verbrennungslage wird der Schwerpunkt der Verbrennung von 7° nach OT (oberer Totpunkt) nach hinten zu einem späteren Zeitpunkt verschoben (zum Beispiel 14° nach OT). Dies geschieht bei noch geschlossenen Auslaßventilen. Die Verbrennung setzt sich dann bis nach dem Öffnen der Auslaßventile fort, was eine Erhöhung der Abgastemperaturen bewirkt.to temperature increase through late Combustion situation becomes the focus of combustion from 7 ° after TDC (top dead center) moved backwards at a later time (for example 14 ° after OT). This happens when the exhaust valves are still closed. The combustion then sits until after opening the exhaust valves continued what an increase of the exhaust gas temperatures.

Bei der mehrstufigen Verbrennung wird die Einspritzung des Kraftstoffes in mehreren Stufen vorgenommen. Werden nur drei Stufen vorgesehen, so wird von einer Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung gesprochen. Auch durch diese Vorgehensweise kann die Abgastemperatur erhöht werden.at Multi-stage combustion becomes fuel injection made in several stages. If only three levels are provided, this is called pre, main and post injection. The exhaust gas temperature can also be increased by this procedure.

Weitere motorische Maßnahmen zur Erhöhung der Abgastemperatur sind denkbar, wie die Öffnung der Turbinenschaufeln des Turboladers. Der Ladedruck fällt ab und dadurch sinkt der Wirkungsgrad. Dies wiederum führt zu einer Erhöhung der Abgastemperatur, da bei gleicher Leistung mehr Kraftstoff verbrannt werden muß. Auch durch AGR (Abgasrückführung) kann Einfluß auf die Abgastemperatur genommen werden.Further motor measures to increase Exhaust gas temperature are conceivable, such as the opening of the turbine blades of the turbocharger. The boost pressure drops and the efficiency drops. This in turn leads to an increase in the exhaust gas temperature, since more fuel has to be burned for the same output. EGR (exhaust gas recirculation) can also influence the exhaust gas temperature.

Durch das vorgeschlagene Verfahren kann die Lebensdauer eines Diesel-Oxidationskatalysators wesentlich verlängert werden. Es ist jedoch nicht auf die Anwendung bei Diesel-Oxidationskatalysatoren beschränkt. Vielmehr läßt es sich bei allen für die Abgasreinigung von Dieselmotoren vorgeschlagenen Katalysatoren einsetzen, die eine Oxidationsfunktion aufweisen. Dabei handelt es sich zum Beispiel um SCR-Katalysatoren, Hydrolysekatalysatoren, HC-DeNOx-Katalysatoren oder Vierweg-Katalysatoren.By The proposed method can extend the life of a diesel oxidation catalyst significantly extended become. However, it is not applied to diesel oxidation catalysts limited. Rather, it can be at all for the exhaust gas purification of diesel engines proposed catalysts use that have an oxidation function. Acting for example, SCR catalysts, hydrolysis catalysts, HC DeNOx catalysts or four-way catalysts.

SCR-Katalysatoren werden zum Beispiel in den europäischen Patentschriften EP 0 376 025 B1 ( US 5,116,586 ) und EP 0 385 164 B1 ( US 5,198,403 ) beschrieben. Gemäß der EP 0 376 025 B1 können für die selektive katalytische Reduktion Katalysatoren auf der Basis von säurebeständigen Zeolithen eingesetzt werden, die mit den Metallen Eisen, Kupfer, Cer und Molybdän ausgetauscht sein können. Dagegen beschreibt die EP 0 385 164 B1 Katalysatoren für die selektive katalytische Reduktion, die hauptsächlich aus Titanoxid bestehen, welches in Abmischung mit verschiedenen anderen Oxiden eingesetzt wird. Gemäß der genannten Patentschrift enthalten die Reduktionskatalysatoren Titanoxid und mindestens ein Oxid von Wolfram Silicium, Bor, Aluminium, Phosphor, Zirkon, Barium, Yttrium, Lanthan und Cer und als zusätzliche Komponenten mindestens ein Oxid von Vanadium, Niob, Molybdän, Eisen und Kupfer. Besonders diese zusätzlichen Komponenten verleihen dem Katalysator gute Reduktionseigenschaften in sauerstoffhaltigen Abgasen.SCR catalysts are used, for example, in European patents EP 0 376 025 B1 ( US 5,116,586 ) and EP 0 385 164 B1 ( US 5,198,403 ) described. According to the EP 0 376 025 B1 For the selective catalytic reduction, catalysts based on acid-resistant zeolites can be used, which can be exchanged with the metals iron, copper, cerium and molybdenum. In contrast, the EP 0 385 164 B1 Selective catalytic reduction catalysts mainly consisting of titanium oxide, which is used in admixture with various other oxides. According to the cited patent, the reduction catalysts contain titanium oxide and at least one oxide of tungsten silicon, boron, aluminum, phosphorus, zirconium, barium, yttrium, lanthanum and cerium and as additional components at least one oxide of vanadium, niobium, molybdenum, iron and copper. These additional components in particular give the catalyst good reduction properties in oxygen-containing exhaust gases.

Als Hydrolysekatalysator dienen gewöhnlich Oxide mit Feststoffsäureeigenschaften, die Titandioxid, Aluminiumoxid, Siliciumdioxid oder deren Mischphasen und Verbindungen untereinander als Matrixoxid enthalten, wobei die Säureeigenschaften durch Zusatz von Oxiden fünf- und sechswertiger Elemente, wie SO3 und WO3, als Stabilisatoren und zur Verstärkung der Aktivität herangezogen werden. Als geeignete Aktivkomponenten eines Hydrolysekatalysators werden in der DE 42 03 807 A1 Mischungen von Aluminiumoxid mit Titanoxid, Siliciumdioxid, Zirkondioxid und/oder H-Zeolithen im Gewichtsverhältnis zwischen Aluminiumoxid und den anderen Oxiden von 90:10 bis 10:90 genannt.Oxides with solid acid properties, which contain titanium dioxide, aluminum oxide, silicon dioxide or their mixed phases and compounds with one another as matrix oxide, are usually used as the hydrolysis catalyst, the acid properties by adding oxides of pentavalent and hexavalent elements, such as SO 3 and WO 3 , as stabilizers and for reinforcing them Activity. Suitable active components of a hydrolysis catalyst are in the DE 42 03 807 A1 Mixtures of aluminum oxide with titanium oxide, silicon dioxide, zirconium dioxide and / or H-zeolites in the weight ratio between aluminum oxide and the other oxides from 90:10 to 10:90.

Als HC-DeNOx-Katalysator wird ein Katalysator bezeichnet, der im mageren Abgas eines Verbrennungsmotors in der Lage ist, Stickoxide unter Verwendung von im Abgas enthaltenen, unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu Stickstoff, Wasser und Kohlendioxid umzusetzen. Ein geeigneter Katalysator hierfür wird zum Beispiel in der DE 196 14 540 A1 ( US 5,928,981 ) beschrieben. Er enthält als katalytisch aktive Komponente wenigstens ein Platingruppenmetall, bevorzugt Platin, welches auf einem hochoberflächigen Aluminiumsilikat als Trägermaterial abgeschieden ist. Außerdem enthält der Katalysator noch verschiedene Zeolithe, die auf Grund ihrer sauren Oberflächeneigenschaften in der Lage sind, auch langkettige, organische Moleküle, die an Rußpartikeln adsorbiert sind, zu cracken. Dieser Katalysator wird auch als Vierweg-Katalysator bezeichnet, weil er neben der Umsetzung von Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden als vierte Komponente auch die Menge der Rußpartikel vermindern kann.An HC-DeNOx catalytic converter is a catalytic converter that is able in the lean exhaust gas of an internal combustion engine to convert nitrogen oxides into nitrogen, water and carbon dioxide using unburned hydrocarbons contained in the exhaust gas. A suitable catalyst for this is for example in the DE 196 14 540 A1 ( US 5,928,981 ) described. As a catalytically active component, it contains at least one platinum group metal, preferably platinum, which is deposited on a high-surface aluminum silicate as the carrier material. In addition, the catalyst also contains various zeolites which, due to their acidic surface properties, are able to crack even long-chain organic molecules which are adsorbed on soot particles. This catalyst is also called a four-way catalyst because, in addition to the conversion of carbon monoxide, hydrocarbons and nitrogen oxides as the fourth component, it can also reduce the amount of soot particles.

Beispielexample

Es wurden Modellrechnungen für die Schadstoffumsetzung im NEDC-Test an einem realen Antriebssystem aus einem Dieselmotor mit 2,2 Liter Hubraum und einer zweiflutigen Abgasreinigungsanlage mit zwei Oxidationskatalysatoren vorgenommen.It were model calculations for the pollutant conversion in the NEDC test on a real drive system consisting of a 2.2 liter diesel engine and a double flow Exhaust gas cleaning system made with two oxidation catalysts.

Im NEDC-Test (New European Driving Cycle) wird die Schadstoffumsetzung für festgelegte Fahrzustände mit innerstädtischen und außerstädtischen Anteilen ermittelt. Die gesamte Testdauer beträgt etwa 1200 Sekunden. Die dabei zurückgelegte Fahrstrecke sind 11,4 km.in the NEDC test (New European Driving Cycle) is the pollutant implementation for specified driving conditions with inner-city and out of town Proportions determined. The total test duration is approximately 1200 seconds. The thereby covered distance are 11.4 km.

Der Dieselmotor besitzt eine Rohemission im NEDC-Test von 1,5 g/km Kohlenmonoxid und 0,32 g/km Kohlenwasserstoffe. Bei den Oxidationskatalysatoren dieses Antriebssystems handelt es sich um zwei Wabenkatalysatoren mit einem Volumen von jeweils 1,1 l, einer Zelldichte von 62 cm–2 (400 cpsi) und einer Platinbeladung von 3,18 g/l (90 g/ft3).The diesel engine has a raw emission in the NEDC test of 1.5 g / km carbon monoxide and 0.32 g / km hydrocarbons. The oxidation catalysts of this drive system are two honeycomb catalysts with a volume of 1.1 l each, a cell density of 62 cm -2 (400 cpsi) and a platinum loading of 3.18 g / l (90 g / ft 3 ).

Der oben genannte Dieselmotor hat während des NEDC mit einer Gesamtfahrstrecke von 11,4 km den in 3 gezeigten Verlauf der Abgastemperatur in Abhängigkeit von der Fahrzeit. Die ersten 800 Sekunden dieses Testzyklus simulieren innerstädtischen Verkehr nach einem Kaltstart.The above-mentioned diesel engine has a total distance of 11.4 km during the NEDC 3 shown course of the exhaust gas temperature depending on the driving time. The first 800 seconds of this test cycle simulate inner-city traffic after a cold start.

In den Modellrechnungen wurden die Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoff-Emissionen für vier verschieden Fälle berechnet. Im ersten Fall wurde angenommen, daß das Abgas ohne zusätzliche Maßnahmen über den Katalysator geleitet wird. In den anderen Fällen wurde angenommen, daß zwischen etwa 180 Sekunden und 800 Sekunden durch entsprechende motorische Maßnahmen oder externe Beheizung verhindert wird, daß die Abgastemperatur unter eine Minimaltemperatur von 150 °C, 160 °C oder 170 °C sinkt.The carbon monoxide and hydrocarbon emissions were calculated for four different cases in the model calculations. In the first case, it was assumed that the exhaust gas was passed over the catalytic converter without additional measures. In the other cases it was assumed that between about 180 seconds and 800 seconds by appropriate motor measures or external heating is prevented that the exhaust gas temperature temperature drops below a minimum temperature of 150 ° C, 160 ° C or 170 ° C.

4 zeigt, daß durch die Sicherstellung einer Abgastemperatur von wenigstens 170 °C während des innerstädtischen Teils des NEDC-Tests die Kohlenmonoxid-Emission von 8,3 auf 6,5 g pro Test, das heißt um etwa 22 %, vermindert werden kann. Die HC-Emission vermindert sich in diesem Fall von 1,3 auf 1,2 g pro Test. 4 shows that by ensuring an exhaust gas temperature of at least 170 ° C during the inner city part of the NEDC test, the carbon monoxide emission can be reduced from 8.3 to 6.5 g per test, that is to say by approximately 22%. In this case, the HC emission is reduced from 1.3 to 1.2 g per test.

Claims (6)

Verfahren zur Reinigung des Abgases eines Dieselmotors mit Hilfe eines Diesel-Oxidationskatalysators, wobei der Dieselmotor eine Rohemission an Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid besitzt und das Abgas eine Abgastemperatur und der Katalysator eine Katalysatortemperatur aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß während Betriebsphasen des Motors mit geringer Last und niedriger Abgastemperatur, die geringer als eine Minimaltemperatur ist, die Katalysatortemperatur auf wenigstens diese Minimaltemperatur erhöht wird.Process for cleaning the exhaust gas of a diesel engine with the aid of a diesel oxidation catalyst, the diesel engine having a raw emission of hydrocarbons and carbon monoxide and the exhaust gas having an exhaust gas temperature and the catalyst having a catalyst temperature, characterized in that during operating phases of the engine with a low load and a low exhaust gas temperature , which is lower than a minimum temperature, the catalyst temperature is increased to at least this minimum temperature. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Minimaltemperatur ausgewählt ist aus dem Intervall zwischen 150 und 180 °C.A method according to claim 1, characterized in that the Minimum temperature selected is from the interval between 150 and 180 ° C. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Katalysatortemperatur die Abgastemperatur vor Eintritt in den Oxidationskatalysator mindestens auf die Minimaltemperatur angehoben wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that that for increase the catalytic converter temperature, the exhaust gas temperature before entering the oxidation catalytic converter is raised to at least the minimum temperature. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgastemperatur durch Nacheinspritzen von Kraftstoff in die Zylinder des Dieselmotors, durch Einstellen einer späten Verbrennungslage am Motor oder durch mehrstufige Verbrennung angehoben wird.A method according to claim 3, characterized in that the Exhaust gas temperature by injecting fuel into the cylinders of the diesel engine, by setting a late combustion position on the engine or is raised by multi-stage combustion. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Oxidationskatalysators durch elektrische Beheizung auf mindestens die Minimaltemperatur angehoben wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that that the Temperature of the oxidation catalytic converter due to electrical heating is raised to at least the minimum temperature. Vorrichtung zur Reinigung des Abgases eines Dieselmotors mit einem Diesel-Oxidationskatalysators, insbesondere zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüch, wobei der Dieselmotor eine Rohemission an Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid besitzt und das Abgas eine Abgastemperatur und der Katalysator eine Katalysatortemperatur aufweisen, gekennzeichnet durch, eine Einrichtung zum Erhöhen der Katalysatortemperatur auf mindestens eine Minimaltemperatur während Betriebsphasen des Motors mit geringer Last und niedriger Abgastemperatur, die geringer als die Minimaltemperatur ist.Device for cleaning the exhaust gas of a diesel engine with a diesel oxidation catalyst, especially for performing a method according to any one of the preceding claims, wherein the Diesel engine a raw emission of hydrocarbons and carbon monoxide and the exhaust gas has an exhaust gas temperature and the catalytic converter has one Have catalyst temperature, characterized by, a device to increase the catalyst temperature to at least a minimum temperature while Operating phases of the engine with low load and low exhaust gas temperature, which is lower than the minimum temperature.
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