DE19801410C1 - Device to reduce nitrogen oxides present in the exhaust gas of a diesel engine or a lean mix spark ignition engine - Google Patents
Device to reduce nitrogen oxides present in the exhaust gas of a diesel engine or a lean mix spark ignition engineInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasreinigungsanlage für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an exhaust gas purification system for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
Die Emission von Stickoxiden (NOx) von Verbrennungskraftma schinen, speziell solchen, die im Straßenverkehr eingesetzt werden, stellt eine erhebliche Umweltbelastung dar, die durch einschlägige Gesetze immer stärker beschränkt wird. Während Otto-Motoren mit Dreiwege-Katalysator, die mit einem Kraft stoff-Luftgemisch von λ = 1 betrieben werden, alle derzeiti gen Abgasvorschriften erfüllen, ist dies für die vom Kraft stoffverbrauch her wesentlich günstigeren Otto-Mager-Motoren wegen des hohen Luftüberschusses bei der Verbrennung nicht der Fall. Bei Fahrzeugen mit Dieselmotor gelten derzeit noch höhere Grenzwerte, jedoch sind auch hier niedrigere Grenzwer te vorgesehen. Hier ist eine spezielle NOx-Entfernung erfor derlich. Dazu werden sogenannte Denox-Katalysatoren verwen det, die jedoch nur einen Umwandlungsgrad von maximal 50% er reichen.The emission of nitrogen oxides (NO x ) from internal combustion engines, especially those used in road traffic, represents a considerable environmental impact, which is being increasingly restricted by the relevant laws. While Otto engines with three-way catalytic converters, which are operated with a fuel-air mixture of λ = 1, meet all current emissions regulations, this is for the Otto Mager engines, which are much cheaper in terms of fuel consumption, due to the high excess air in the Combustion is not the case. Vehicles with a diesel engine currently have higher limit values, but lower limit values are also provided here. A special NO x removal is required here. For this purpose, so-called Denox catalysts are used, which, however, only reach a maximum degree of conversion of 50%.
Um die NOx-Emission bei Otto-Mager-Motoren herabzusetzen, sind sogenannte NOx-Speicher-Katalysatoren entwickelt worden, die auf einem Träger, z. B. aus Keramik oder Metall, eine porö se Beschichtung, z. B. eine Aluminiumoxidbeschichtung, aufwei sen, die einerseits Metallsalze oder -oxide, wie Alkali-, Erdalkali- oder Seltenerdmetallsalze oder -oxide, die NOx ab sorbieren, und andererseits Edelmetalle, wie Platin, enthält. Bei normalem Betrieb des Otto-Mager-Motors, also mit sauer stoffreichem Abgas, wird NOx z. B. durch das Erdalkalimetal loxid absorbiert, während Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwas serstoff (HC) durch das Platin zu Kohlendioxid und Wasser ka talytisch oxidiert werden. Durch intermittierenden kurzfri stigen fetten Betrieb des sonst mager betriebenen Otto-Motors wird das am Katalysator absorbierte NOx durch die reduzieren den Gase, wie HC, zu Stickstoff reduziert und der Katalysator damit regeneriert (EP 0 645 173 B1).So-called NO x storage catalysts have been developed to reduce the NO x emission in Otto-Mager engines. B. ceramic or metal, a porö se coating, for. B. an alumina coating, aufwei sen, the one hand metal salts or oxides, such as alkali, alkaline earth or rare earth metal salts or oxides, which absorb NO x from, and on the other hand contains noble metals, such as platinum. During normal operation of the Otto-Lean engine, that is, with oxygen-rich exhaust gas, NO x z. B. absorbed by the alkaline earth metal oxide, while carbon monoxide (CO) and Kohlenwas serstoff (HC) are oxidized by the platinum to carbon dioxide and water. By intermittent short-term rich operation of the otherwise lean-burn gasoline engine, the NO x absorbed on the catalyst is reduced to nitrogen by the reducing gases, such as HC, and the catalyst is thus regenerated (EP 0 645 173 B1).
Darüberhinaus wird nach der deutschen Patentanmeldung 196 51 492.4 zur Herabsetzung der NOx-Emission von Diesel- und Otto- Mager-Motoren vorgeschlagen, als NOx-Entfernungseinrichtung einen mit einer Alkalicarbonatschmelze getränkten porösen Ab sorberkörper zur Absorption des NOx als Nitrat oder Nitrit zu verwenden, in welchem paarweise Elektroden zur elektrochemi schen Zersetzung des Nitrats und Nitrits zu Stickstoff ver teilt sind. Der flüssige alkalische Elektrolyt wird durch ei ne Alkalicarbonatschmelze gebildet.In addition, according to the German patent application 196 51 492.4 to reduce the NO x emission of diesel and Otto-Lean engines, it is proposed as a NO x removal device a porous absorber body soaked with an alkali metal carbonate melt to absorb the NO x as nitrate or nitrite use in which electrodes for electrochemical decomposition of the nitrate and nitrite to nitrogen are divided in pairs. The liquid alkaline electrolyte is formed by an alkali carbonate melt.
Der NOx-Speicher-Katalysator und die elektrochemische NOx Stickoxid-Entfernungseinrichtung nach der deutschen Patentan meldung 196 51 492.4 führen zwar zu hohen Umwandlungsgraden. Jedoch läßt ihre Wirksamkeit während der langen Betriebszeit eines Kraftfahrzeuges spürbar nach.The NO x storage catalyst and the electrochemical NO x nitrogen oxide removal device according to the German patent application 196 51 492.4 lead to high degrees of conversion. However, their effectiveness decreases noticeably during the long operating time of a motor vehicle.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Abgasreinigungsanla ge hoher Wirksamkeit und zugleich langer Haltbarkeit insbe sondere für Diesel- und Mager-Otto-Motoren bereitzustellen.The object of the invention is therefore an exhaust gas purification system high effectiveness and long durability in particular especially for diesel and lean Otto engines.
Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekennzeich neten Erfindung erreicht. In den Unteransprüchen sind vor teilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.This is according to the invention characterized in that in claim 1 Neten invention achieved. In the subclaims are before reproduced partial embodiments of the invention.
Die bekannten NOx-Entfernungseinrichtungen in Abgasreini gungsanlagen, d. h. der NOx-Speicher-Katalysator ebenso wie die elektrochemische Einrichtung nach der deutschen Patentan meldung 196 51 492.4, zeichnen sich dadurch aus, daß sie Me tallsalze oder -oxide enthalten, um das NOx aus dem Abgas zu absorbieren.The known NO x removal devices in emission control systems, ie the NO x storage catalyst as well as the electrochemical device according to the German patent application 196 51 492.4, are characterized in that they contain metal salts or oxides to the NO x to absorb from the exhaust.
Bei der Kraftstoffverbrennung entstehen Kohlendioxid und Was ser als Hauptprodukt. Beim Kaltstart bzw. einer kalten Abgas reinigungsanlage kann das bei der Verbrennung gebildete Was ser in der Abgasreinigungsanlage jedoch als flüssiges Wasser kondensieren. Wie festgestellt werden konnte, löst dieses Kondenswasser die Metallsalze oder -oxide in der NOx-Entfer nungseinrichtung, insbesondere auch die daraus nach Absorpti on von NOx gebildeten Nitrate und Nitrite. Dadurch wird das Absorptionsmittel nach und nach ausgewaschen, wodurch die Wirksamkeit der NOx-Entfernungseinrichtung mit der Zeit nach läßt.Fuel combustion produces carbon dioxide and water as the main product. During a cold start or a cold exhaust gas cleaning system, however, what was formed during combustion can condense in the exhaust gas cleaning system as liquid water. As could be determined, this condensed water dissolves the metal salts or oxides in the NO x removal device, in particular also the nitrates and nitrites formed therefrom after absorption of NO x . As a result, the absorbent is gradually washed out, whereby the effectiveness of the NO x removal device deteriorates over time.
Dem wird erfindungsgemäß dadurch entgegengetreten, daß sich hinter, also abgasstromabwärts, der NOx-Entfernungsein richtung ein Auffangbehälter für das salzhaltige Kondenswas ser befindet, das aus der NOx-Entfernungseinrichtung aus tritt. Das Salz in dem Kondenswasser in dem Auffangbehälter wird dann zurückgeführt, während das Kondenswasser verdampft wird.This is countered according to the invention in that behind, that is, downstream of the exhaust gas, the NO x -Entfernungsein direction is a collecting container for the saline condensed water that emerges from the NO x removal device. The salt in the condensed water in the receiver is then returned while the condensed water is evaporated.
Das Salz in dem Kondenswasser im Auffangbehälter kann also das Metallsalz-Absorptionsmittel der NOx-Entstickungsein richtung oder z. B. ein aus einem solchen Metallsalz oder Me talloxid gebildetes Metallnitrat oder -nitrit, aber auch z. B. ein aus einem Metalloxid und dem Kohlendioxid des Abga ses gebildetes Metallcarbonat sein.The salt in the condensate in the collecting container can thus be the metal salt absorbent of the NO x -Dickering device or z. B. from such a metal salt or Me talloxid formed metal nitrate or nitrite, but also z. B. from a metal oxide and the carbon dioxide of the Abga ses formed metal carbonate.
Zur Zurückführung des Salzes ist vorzugsweise eine Leitung vorgesehen, durch die das salzhaltige Kondenswasser zurück zur NOx-Entfernungseinrichtung strömt.To return the salt, a line is preferably provided through which the salt-containing condensed water flows back to the NO x removal device.
Die Rückführleitung mündet vorzugsweise eingangsseitig, also abgasstromaufwärts der Stickoxid-Entfernungseinrichtung in das Abgasrohr. Wenn die Abgasreinigungsanlage die Betrieb stemperatur erreicht hat, verdampft damit das Wasser, während die Salzpartikel von der NOx-Entfernungseinrichtung wieder aufgenommen werden.The return line preferably opens into the exhaust pipe on the inlet side, that is to say upstream of the nitrogen oxide removal device. When the exhaust gas cleaning system has reached the operating temperature, the water evaporates, while the salt particles are taken up again by the NO x removal device.
Die Förderung des Kondenswassers in der Rückführleitung kann z. B. durch eine elektrische oder mechanische Pumpe erfolgen. Vorzugsweise ist jedoch die Mündung der Rückführleitung in dem Abgasrohr als in Abgasströmungsrichtung ausgerichtete Dü se ausgebildet. Durch die hohen Abgasvolumenströme entsteht damit eine Saugwirkung (Wasserstrahlpumpenprinzip), durch die das Kondenswasser aus dem Auffangbehälter gesaugt wird. Zu gleich führt die Düse zu einer Zerstäubung des Kondenswassers im Abgas (Injektorprinzip), wodurch das Kondenswasser ver dampft und die feinen Salzpartikel regelmäßig in der NOx Entfernungseinrichtung verteilt werden.The promotion of condensed water in the return line can, for. B. done by an electrical or mechanical pump. However, the mouth of the return line in the exhaust pipe is preferably designed as a nozzle oriented in the exhaust gas flow direction. The high exhaust gas volume flows create a suction effect (water jet pump principle) through which the condensed water is sucked out of the collecting container. At the same time, the nozzle atomizes the condensed water in the exhaust gas (injector principle), whereby the condensed water evaporates and the fine salt particles are regularly distributed in the NO x removal device.
Statt dessen kann der Auffangbehälter für das Kondenswasser auch oberhalb der NOx-Entfernungseinrichtung angeordnet sein, so daß die Rückführung des Kondenswassers durch Schwerkraft erfolgt.Instead, the condensate collecting container can also be arranged above the NO x removal device, so that the condensate is returned by gravity.
Die Verdampfung des Kondenswassers kann ferner mit einer Ver dampferwanne erfolgen, die über der NOx-Entfernungsein richtung angeordnet ist. Die Verdampferwanne weist vorzugs weise wenigstens eine Öffnung auf. Bei hinreichend hoher Tem peratur der Verdampferwanne verdampft das Kondenswasser, wo bei die darin enthaltenen Salze zurückbleiben und bei Errei chen der Schmelztemperatur durch die Öffnung in der Verdamp ferwanne in die NOx-Entfernungseinrichtung fließen.The evaporation of the condensed water can also be carried out with a Ver evaporator trough, which is arranged above the NO x removal device. The evaporator pan preferably has at least one opening. If the temperature of the evaporator trough is sufficiently high, the condensate evaporates, where the salts contained therein remain and, when the melting temperature is reached, flow through the opening in the evaporator trough into the NO x removal device.
Die Rückführung mit der Verdampferwanne setzt also voraus, daß die Salze in dem Kondenswasser einen Schmelzpunkt auf weisen, der unterhalb der Betriebstemperatur der NOx Entfernungseinrichtung liegt. Diese Voraussetzung ist insbe sondere bei der NOx-Entfernungseinrichtung nach der deutschen Patentanmeldung 196 51 492.4 erfüllt, bei der die absorbier ten Stickoxide elektrochemisch zersetzt werden.The return with the evaporator trough therefore presupposes that the salts in the condensed water have a melting point which is below the operating temperature of the NO x removal device. This requirement is met in particular in the NO x removal device according to German patent application 196 51 492.4, in which the absorbed nitrogen oxides are electrochemically decomposed.
Das heißt, diese NOx-Entfernungsanlage weist einen mit einem flüssigen, alkalischen Elektrolyten getrennten porösen Absor berkörper zur Absorption des NOx als Nitrat und Nitrit und paarweise im Absorberkörper verteilte Elektroden zur elektro chemischen Zersetzung des Nitrats bzw. Nitrits zu Stickstoff auf. Der flüssige alkalische Elektrolyt wird vorzugsweise durch eine Salzschmelze gebildet, die zumindest teilweise aus Alkalicarbonat besteht. Vorzugsweise ist das Alkalicarbonat ein Gemisch der Carbonate von Lithium, Natrium und Kalium. Vorzugsweise wird als Salz ein Gemisch aus Alkali- und/oder Erdalkali-Carbonat und einem Alkali- und/oder Erdalkalinitrat und/oder -nitrit verwendet. Der poröse Absorberkörper kann aus Lithiumaluminat, gegebenenfalls lithiiertem Ceroxid oder Zirkonoxid oder Lithiumzirkonat bestehen. Da die NOx- Entfernungseinrichtung nach der deutschen Patentanmeldung 196 51 492.4 eine besonders bevorzugte NOx-Entfernungseinrichtung für die erfindungsgemäße Abgasreinigungsanlage darstellt, wird auf diese deutsche Patentanmeldung auch im übrigen vollumfänglich Bezug genommen.This means that this NO x removal system has a porous absorber body with a liquid, alkaline electrolyte for the absorption of the NO x as nitrate and nitrite and electrodes distributed in pairs in the absorber body for electrochemical decomposition of the nitrate or nitrite to nitrogen. The liquid alkaline electrolyte is preferably formed by a molten salt which at least partially consists of alkali carbonate. The alkali carbonate is preferably a mixture of the carbonates of lithium, sodium and potassium. A mixture of alkali and / or alkaline earth carbonate and an alkali and / or alkaline earth nitrate and / or nitrite is preferably used as the salt. The porous absorber body can consist of lithium aluminate, optionally lithiated cerium oxide or zirconium oxide or lithium zirconate. Since the NO x removal device according to German patent application 196 51 492.4 represents a particularly preferred NO x removal device for the exhaust gas purification system according to the invention, reference is also made in full to this German patent application.
Außerdem ist die erfindungsgemäße Abgasreinigungsanlage vor teilhaft bei NOx-Speicher-Katalysatoren anwendbar, also Kata lysatoren, die auf einem Träger eine poröse Beschichtung, z. B. aus Aluminiumoxid, aufweisen, die einerseits Metallsalze und/oder -oxide enthält, die Stickoxide aus dem Abgas von Dieselmotoren und Otto-Motoren absorbieren, und andererseits Edelmetalle, wie Platin. Bei dem normalen Betrieb des Diesel- bzw. Otto-Mager-Motors wird das gebildete NOx durch das Metallsalz bzw. -oxid absorbiert, während CO und HC durch den Edelmetallkatalysator zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert werden. Durch intermittierenden Betrieb mit fetterem Abgas wird das an die Metallsalze bzw. -oxide absorbierte NOx z. B. durch HC oder CO zu Stickstoff reduziert und damit das Ab sorptionsmittel regeneriert.In addition, the exhaust gas purification system according to the invention can be used before geous with NO x storage catalysts, that is, catalysts which have a porous coating, for. B. made of aluminum oxide, which contains metal salts and / or oxides on the one hand, which absorb nitrogen oxides from the exhaust gas of diesel engines and gasoline engines, and on the other hand noble metals such as platinum. During normal operation of the diesel or Otto-Lean engine, the NO x formed is absorbed by the metal salt or oxide, while CO and HC are oxidized to carbon dioxide and water by the noble metal catalyst. By intermittent operation with richer exhaust gas, the NO x z absorbed by the metal salts or oxides is reduced. B. reduced to nitrogen by HC or CO and thus regenerates the sorbent.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung beispiels weise näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:The invention based on the drawing is an example explained in more detail. Each shows schematically:
Fig. 1 eine Abgasreinigungsanlage; und . Figure 1 is an exhaust gas purification system; and
Fig. 2 und 3 eine Kondenswasserverdampfungseinrichtung nach einer ersten bzw. zweiten Ausführungsform. Fig. 2 and 3, a condensate evaporation device according to a first or second embodiment.
Gemäß Fig. 1 weist ein Verbrennungsmotor 1 eine Abgasreini gungsanlage auf, bei der in einem Abgasrohr 2 nacheinander, also in Abgasströmungsrichtung, ein Oxidationskatalysator 3, eine NOx-Entfernungseinrichtung 4 und ein Kondenswasserauf fangbehälter 5 angeordnet sind. Der Auffangbehälter 5 ist über eine Kondenswasserrückführleitung 6 mit der NOx-Entfer nungseinrichtung 4 verbunden. Der Oxidationskatalysator 3 kann beispielsweise ein Edelmetallkatalysator, insbesondere ein Platinkatalysator sein, mit dem CO und HC oxidiert wer den, ferner NOx im wesentlichen zu NO2.Referring to FIG. 1, an internal combustion engine 1, an exhaust gas washer system on catcher 5 are arranged in succession in an exhaust pipe 2, that is in the exhaust gas flow direction, an oxidation catalyst 3, a NO x -Entfernungseinrichtung 4 and a Kondenswasserauf. The collecting container 5 is connected via a condensate return line 6 to the NO x removal device 4 . The oxidation catalyst 3 can, for example, be a noble metal catalyst, in particular a platinum catalyst, with which the CO and HC are oxidized, and NO x essentially to NO 2 .
Die NOx-Entfernungseinrichtung 4 kann als elektrochemische NOx-Entfernungseinrichtung nach der deutschen Patentanmeldung 196 51 492.4 ausgebildet sein. Dazu ist eine Batterie 7 vor gesehen, die über die gestrichelt dargestellte elektrische Leitung mit den Elektroden dieser elektrochemischen NOx Entfernungseinrichtung 4 verbunden ist.The NO x removal device 4 can be designed as an electrochemical NO x removal device according to the German patent application 196 51 492.4. For this purpose, a battery 7 is seen before, which is connected to the electrodes of this electrochemical NO x removal device 4 via the dashed electrical line.
Gemäß Fig. 2 ist die Mündung der Kondenswasserrückführleitung 6 vor der NOx-Entfernungseinrichtung 4 in dem Abgasrohr 2 an geordnet. Die Mündung der Leitung 6 ist als in Richtung des Abgasstromes 8 gerichtete Düse 9 ausgebildet. Durch die hohe Geschwindigkeit des Abgasstromes 8 entsteht damit eine Saug wirkung (Wasserstrahlpumpenprinzip), durch die das Kondens wasser aus dem Auffangbehälter 5 gesaugt wird. Das Kondens wasser wird dabei zerstäubt und verdampft, während die darin enthaltenen Salze fein und regelmäßig auf dem NOx-absor bierenden Material der NOx-Entfernungsreinrichtung 4 verteilt und damit wieder von ihr aufgenommen werden.Referring to FIG. 2, the mouth of the condensate return line 6 in front of the NO x -Entfernungseinrichtung 4 arranged in the exhaust pipe 2 at. The mouth of the line 6 is designed as a nozzle 9 directed in the direction of the exhaust gas flow 8 . The high speed of the exhaust gas stream 8 creates a suction effect (water jet pump principle) through which the condensed water is sucked out of the collecting container 5 . The condensation water is atomized and evaporated while the salts contained therein finely and regularly in the NO x -absor-absorbing material of the NO x -Entfernungsreinrichtung 4 and are thus received by it again.
Nach Fig. 3 weist die NOx-Entfernungseinrichtung 4 eine Ver dampferwanne 10 auf, die im Querschnitt trichterförmig mit einer mittleren Öffnung 11 ausgebildet ist. Die Kondenswas serrückführleitung 6 mündet oberhalb der Verdampferwanne 10 im Abstand von der Öffnung 11. Das Kondenswasser kann dabei durch Schwerkraft, also durch Anordnung des Auffangbehälters 5 in dem Abgasrohr 2 oberhalb der NOx-Entfernungseinrichtung 4 zugeführt werden.According to FIG. 3, the NO x has -Entfernungseinrichtung 4 Ver an evaporator pan 10, which is formed in the cross-sectional shape of a funnel having an average opening 11. The condensed water return line 6 opens above the evaporator pan 10 at a distance from the opening 11 . The condensed water can be supplied by gravity, that is to say by arranging the collecting container 5 in the exhaust pipe 2 above the NO x removal device 4 .
Wenn bei der Ausführungsform nach Fig. 2 oder 3 sich die NOx- Entfernungseinrichtung 4 auf einer Temperatur unterhalb des Taupunkts des Wasserdampfs befindet, strömt das Kondenswasser vom Auffangbehälter 5 über die NOx-Entfernungseinrichtung 4 im Kreislauf zum Auffangbehälter zurück.If, in the embodiment according to FIG. 2 or 3, the NO x removal device 4 is at a temperature below the dew point of the water vapor, the condensed water flows back from the collecting container 5 via the NO x removal device 4 to the collecting container.
Bei höherer, insbesondere Betriebstemperatur der Abgasreini gungsanlage, verdampft das Wasser bei der Ausführungsform nach Fig. 2 nach Eintritt in das Abgasrohr 2 bzw. nach Fig. 3 beim Auftreffen auf die Verdampferwanne 10.At a higher, in particular operating temperature of the exhaust gas cleaning system, the water in the embodiment according to FIG. 2 evaporates after entering the exhaust pipe 2 or according to FIG. 3 when it hits the evaporator pan 10 .
Damit scheiden sich bei der Ausführungsform nach Fig. 3 die Salze in dem Kondensationswasser auf der Verdampferwanne 10 ab. Bei Erreichen der Schmelztemperatur fließen die dann flüssigen Salze durch die Öffnung 11 in den unteren Teil der NOx-Entfernungseinrichtung 4 zu dem NOx-absorbierenden Mate rial zurück.Thus, in the embodiment according to FIG. 3, the salts separate out in the condensation water on the evaporator pan 10 . Upon reaching the melting temperature of the liquid salts then flow back through the opening 11 in the lower part of the NO x -Entfernungseinrichtung 4 to the NO x absorbent mate rial.
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