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DE69808644T2 - Reduzierung des stickoxidausstosses bei dieselmotoren - Google Patents

Reduzierung des stickoxidausstosses bei dieselmotoren

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DE69808644T2
DE69808644T2 DE69808644T DE69808644T DE69808644T2 DE 69808644 T2 DE69808644 T2 DE 69808644T2 DE 69808644 T DE69808644 T DE 69808644T DE 69808644 T DE69808644 T DE 69808644T DE 69808644 T2 DE69808644 T2 DE 69808644T2
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exhaust gas
trap
catalyst
engine
valve
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Anders Andreasson
Nils Myers
Ari Uusimaki
Patrick Warren
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Johnson Matthey PLC
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen bei der Emissionskontrolle. Die Erfindung betrifft insbesondere Verbesserungen der Kontrolle von NOx Emissionen aus Dieselmotoren.
  • Die Verwendung von Emissionskontroll-Katalysatoren für die Reinigung von Motorabgasen ist allgemein bekannt. Dieselmotoren weisen andere Charakteristika auf als mit Benzin betriebene Motoren mit unterschiedlichen Schadstoffgemischen, verursacht durch die unterschiedlichen Treibstoffe, unterschiedlichen Verbrennungscharakteristika in jedem Motor und niedrigere Temperaturen, die in den Abgasen aus Dieselmotoren auftreten. Außerdem haben Dieselmotoren eine höhere Emission an erkennbaren Teilchen, insbesondere bei hoher Belastung und beim Start, als Benzinmotoren. Im allgemeinen kann man sagen, dass Dieselmotoren unter den meisten Bedingungen weniger NOx emittieren als ein Benzinmotor, da jedoch Dieselmotoren meistens oder ausschließlich mit einem hohen Luft/Treibstoff-Verhältnis arbeiten, d. h. Magermischungs-Motoren sind, begünstigen die chemischen Verhältnisse in dem Abgas nicht die NOX Reduktion wegen des Überschusses an oxidierenden Species.
  • Um den verschiedenen Emissionsvorschriften, die bereits bestehen oder demnächst in Kraft treten, zu genügen, ist es erforderlich geworden, Dieselabgase auf verschiedene Weise zu behandeln. Oxidationskatalysatoren, welche die Oxidation von nicht verbrannten Kohlenwasserstoffen ("HCs") und Kohlenmonoxid ("CO") katalytisieren, werden heutzutage regelmäßig verwendet in Verbindung mit Niedrigleistungs-Dieselmotoren und Teilchen- Fallen (Sammelbehälter für Teilchen) verschiedener Typen werden zunehmend üblich bei Hochleistungs- Dieselmotoren wie z. B. in Lastkraftwagen, Bussen und einigen stationären Motoren. Eine Methode, die Abgas- Emissionen, insbesondere die NOX Emissionen aus Dieselmotoren zu verbessern, ist eine Abgasrückführung ("EGR"), bei der ein Teil des Abgases abgetrennt und in die Motorzylinder zurückgeführt (recyclisiert) wird. Im allgemeinen werden etwa 30 bis 60 Vol.-% der Abgase zurückgeführt, je nach den Charakteristika des jeweiligen Motors und der Emissionsgrenzwerte, die eingehalten werden müssen. Obgleich die EGR in Verbindung mit Benzinmotoren bereits seit etwa 10 Jahren angewendet wird, wird sie erst seit kurzem auch bei Dieselmotoren vorgesehen; es wird angenommen, dass die meisten derzeit mit einer EGR ausgestatteten Fahrzeuge Personenkraftwagen mit Niedrigleistungs-Dieselmotoren sind. Im Falle von Motoren, die mit einem Katalysator ausgestattet sind, wird das Abgas stets stromaufwärts von dem Katalysator entnommen. Es wurde allgemein erwartet, dass die EGR einen signifikanten Einfluss auf die Emissionen aus Hochleistungs-Dieselmotoren, d. h. solchen, die bei schweren Lastkraftwagen und Bussen verwendet werden, haben würden. Wegen der technischen Probleme, die durch die sehr unterschiedlichen Abgas-Eigenschaften im Vergleich zu Dieselmotoren mit geringerer Leistung verursacht werden, hat sich jedoch gezeigt, dass dies schwer zu erreichen ist. Insbesondere gibt es keine kommerzielle Quelle für ein EGR-Ventil einer geeigneten Größe und aus Materialien, um bei einem Hochleistungs-Dieselmotor verwendet zu werden.
  • Hingewiesen sei auch auf eine Vorrichtung, die unter der Bezeichnung "CRTTM" von der Firma Johson Matthey PLC auf den Markt gebracht worden ist. Diese Vorrichtung ist in US. A-4 902 487 beschrieben und stellt eine sich kontinuierlich regenerierende Teilchenfalle (Teilchensammeleinrichtung) dar. Anders als die große Vielzahl von Teilchenfallen (Teilcheneinrichtungen) regeneriert sich jedoch diese Vorrichtung in situ, ohne dass ein periodischer Ersatz oder eine elektrische Erhitzung zum Entzünden des Rußes erforderlich ist. Diese Vorrichtung beruht auf einem Katalysator-System, das NO&sub2; erzeugt, das, wie gefunden wurde, auf wirksame Weise eine Verbrennung der eingefangenen Ruß-Teilchen bei niedriger Temperatur bewirkt.
  • Das Prinzip der CRTTM wurde von Hino in JP-A-83-38 320 angewendet. Darin ist ein Abgas-System für einen Dieselmotor beschrieben, das umfasst einen Katalysator, eine Teilchenfalle (Teilchensammeleinrichtung), ein Abgasrückführungs(EGR)-Ventil und eine Kühleinrichtung. Bei einer Ausführungsform ist die Kühleinrichtung stromaufwärts von dem CRTTM-Katalysator angeordnet, um das Abgas ausreichend zu kühlen, um die Bildung von Sulfat über dem Katalysator zu verhindern. Bei einer zweiten Ausführungsform ist die Kühleinrichtung in dem EGR-Durchgang stromabwärts von dem EGR-Ventil angeordnet, um den Verbrennungswirkungsgrad des Motors durch Rückführung des Abgases zu dem Motor unterhalb einer vorgegebenen Temperatur aufrechtzuerhalten.
  • Es wurde nun gefunden, dass das Abgas-System von JP-A-83-38 320 weiter optimiert werden kann und dass dies besonders vorteilhaft ist für die Verwendung in Hochleistungs-Dieselmotoren. Die vorliegende Erfindung betrifft daher einen Hochleistungs-Dieselmotor, der ein Abgas-System aufweist, das umfasst einen Katalysator für die Umwandlung unter normalen Betriebsbedingungen von NO in NO&sub2;, eine Falle (Sammeleinrichtung) für Teilchen, die stromabwärts von dem Katalysator angeordnet ist, ein Abgas-Rückführungs-Ventil und eine Einrichtung zum Kühlen eines Teils des zurückgeführten (rezirkulierten) Abgases, die stromabwärts von der Falle (der Sammeleinrichtung) angeordnet ist, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Kühleinrichtung stromaufwärts von dem Ventil angeordnet ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung eines Abgas-Systems, das umfasst einen Katalysator für die Umwandlung unter normalen Betriebsbedingungen von NO in NO&sub2;, eine Falle (Sammeleinrichtung) für Teilchen, die stromabwärts von dem Katalysator angeordnet ist, ein Abgasrückführungs- Ventil und eine Einrichtung zum Kühlen eines Teils des rückgeführten Abgases, die stromabwärts von der Falle (Sammeleinrichtung) angeordnet ist, wobei die Kühleinrichtung stromaufwärts von dem Ventil angeordnet ist, zur Reduktion der NOx-Emissionen aus einem Hochleistungs-Dieselmotor.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Reduktion der NOx-Emissionen aus einem Hochleistungs-Dieselmotor, das umfasst das Oxidieren des in einem Abgas enthaltenen NO zu NO&sub2;, das Einfangen (Sammeln) mindestens der Mehrzahl der kohlenstoffhaltigen Teilchen in dem Gas in einer Falle (Sammeleinrichtung), das Verbrennen der eingefangenen Teilchen in dem NO&sub2;, das Abkühlen des Gases stromabwärts von der Falle (Sammeleinrichtung) und die Rückführung eines Teils des ahgekühlten Gases in den Lufteinlass des Motors.
  • Die Abgasrückführung kann durchgeführt werden im wesentlichen unter Anwendung einer bereits gut entwickelten Technologie unter Verwendung von Ventilen in dem Abgas-System und eines Kontroll-Systems. Es wird angenommen, dass die vorliegende Erfindung höchst wirkungsvoll bei einem niedrigeren Rückführungsverhältnis (beispielsweise von 5 bis 30 Vol.%) als normalerweise durchgeführt werden kann. Obgleich ein Motoreinlassvakuum eine ausreichende EGR bewirken kann, kann es bevorzugt sein, eine Pumpe vorzusehen, um ein Vakuum zu erzeugen unter Verwendung eines Ventilators mit variabler Geschwindigkeit oder durch Betätigen der Pumpe unter der Kontrolle der Motorsteuereinheit.
  • Der Katalysator und der Ventilator können den in US-A-4 902 487 beschriebenen Aufbau haben oder den Aufbau der handelsüblichen Johnson Matthey CRTTM-Vorrichtung haben. Eine bevorzugte Falle (Sammeleinrichtung) ist ein extrudierter Keramik-Wandstromfilter, beispielsweise aus Cordierit.
  • Es ist zu berücksichtigen, dass, da nur ein Teil der Abgase zurückgeführt (recyclisiert) wird, das System und das Verfahren der Erfindung bei einer Ausführungsform so betrieben werden können, dass ein Teil der Abgase, die den Motor verlassen, durch den Katalysator und die Falle (Sammeleinrichtung) behandelt werden und der gesamte behandelte Teil rückgeführt wird. Natürlich sind erfindungsgemäß ein Kühler und ein EGR-Ventil in der genannten Reihenfolge stromabwärts von der Falle (Sammeleinrichtung) angeordnet. Der Rest der Abgase wird in ein konventionelles Abgas-System eingeleitet, das zweckmäßig eine getrennte Kombination von Katalysator und Falle (Sammeleinrichtung) enthalten kann.
  • Es wird angenommen, dass die vorliegende Erfindung in ihren bevorzugten Ausführungsformen bestimmte unerwartete Vorteile bietet. Die Erfindung bewirkt eine wirksame Reduktion von NOx bei allen Motor-Betriebsbedingungen, weil sie unabhängig davon ist, ob ein Reduktionskatalysator die Entzündungstemperatur erreicht. Außerdem treten bei den traditionellen EGR-Systemen ein Verschleiß und ein anderer Abbau sowohl der EGR-Ventile, die zum Extrahieren des Rückführungsanteils aus den Abgasen verwendet werden, als auch am Motor oder an den Auspuff-Komponenten selbst auf. Dieser Abbau kann teure Wiederherstellungen (Reparaturen) mit sich bringen und ein System, welches die Möglichkeit bietet, in diesem Bereich Einsparungen vorzunehmen, ist von beträchtigem wirtschaftlichem Wert. Insbesondere liefert die Verringerung des Rußes ein verhältnismäßig sauberes Gas für die Kühleinrichtung. Der Hauptvorteil dieser Maßnahme ist die Aufrechterhaltung eines guten Wärmeaustauschs im Vergleich zu einer stark verrußten Kühleinrichtung, weitere Folgerungen sind jedoch auch die verminderten Service-Anforderungen.
  • Nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung kann der Fachmann die Erfindung auf verschiedene Dieselmotoren anwenden und auf unterschiedliche Weise die Vorteile der Erfindung; erzielen.
  • Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beiliegende schematische Zeichnung einer Ausführungsform der Erfindung näher erläutert.
  • Ein Hochleistungs-Dieselmotor ist allgemein mit der Ziffer I bezeichnet. Der Motor-Auspuffkrümmer 2 steht mit einer Turbine 3 in Verbindung und mündet in ein Auspuffsystem 4. Eine handelsübliche Standard-Falle (Sammeleinrichtung) 5 mit kontinuierlicher Regenerierung, erhältlich von der Firma Johnson Matthey PLC, Royston, England, ist in dem Auspuffsystem angeordnet und umfasst ein Katalysatorelement 5a und ein Filterelement 5b. Stromabwärts von der CRTTM ist eine einfache T-Verbindungsrohrleitung 6 vorgesehen, die einen Teil des gereinigten Abgases entsprechend dem Status des nachstehend beschriebenen Abgas-Ventils entnehmen kann. Dieser Teil des Abgases wird in einen Abgaskühler, allgemein mit der Ziffer 7 bezeichnet, eingeführt, der auf' wirksame Weise die Temperatur des Abgases auf einen Wert in dem Bereich von 80 bis 150ºC herabsetzt. Der Ahgaskühler kann eine flüssigkeitsgekühlte Einrichtung sein, wie sie beispielsweise in der Zeichnung dargestellt ist, oder er kann luftgekühlt sein. Das gekühlte Gas passiert dann ein Abgasstromventil 8, das unter der Kontrolle einer Motorsteuereinheit (nicht dargestellt) betätigt wird. Entsprechend der Position des Ventils (in dem nachstehend beschriebenen speziellen Test: geschlossen = keine EGR, vollständig offen = 30% EGR) wird durch die Rohrleitung 6 Abgas abgezogen für die Rückführung. In der Motorsteuereinheit wird ein konventioneller Sensor zur Bestimmung der geeigneten Belastungsbedingungen für den EGR-Betrieb verwendet, beispielsweise bei den Leerlauf- und bis zu etwa Halblast-Bedingungen einschließlich der Beschleunigung, die Anwendung der EGR unter Volllast- Bedingungen wird derzeit jedoch nicht als vorteilhaft angesehen.
  • Das Abgas wird dann mit Frischluft für die Verbrennung gemischt und durch einen Lufteinlass 9 eingeführt. Zweckmäßig werden die Verbrennungsluft und das rückgeführte Abgas durch eine Zwischenkühlereinheit 10 auf etwa 25 bis 40ºC abgekühlt, bevor dieses durch eine Turbolader-Einheit 11, die mittels einer Welle der Turbine 3 angetrieben wird, komprimiert wird. Die Gasladung wird dann durch eine Standard-Zwischenkühler-Einheit 12 hindurchgeführt, um das Gas auf etwa 35 bis 60ºC abzukühlen, bevor es in den Motor eingeführt wird.
  • Die Erfindung wird lediglich zur Erläuterung in dem folgenden Beispiel näher beschrieben.
    • Beispiel
  • Für eine Reihe von Tests wurde unter Anwendung der Konfiguration, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, ein Hochleistungs-10 L-Bus-Dieselmotor (hergestellt von der Firma Volvo) verwendet.
  • Die Reduktion von NOx am Endrohr im Vergleich zum normalen Ausstoß des Motors ist in der Fig. 2 bei verschiedenen EGR-Raten in Form eines Diagramms dargestellt. (Das Prototyp-Ventil konnte nicht vollständig geschlossen werden und selbst in der nominell vollständig geschlossenen Position wurde eine Abgas-Rückführung von etwa 1% EGR erhalten). Daraus ist leicht zu ersehen, dass selbst bei 5% EGR eine Reduktion der NOX Emissionen im Endrohr von etwa 15% erzielt wird. Bei EGR-Raten von 25 bis 30% beträgt die NOx-Reduktion 80 bis 90% oder mehr. Die Anwendung der EGR bringt jedoch einen Kraftstoff-Mehrverbrauch mit sich, wie er durch die gestrichelte Linie in der Fig. 2 angegeben ist. Jenseits einer EGR von 30% wird dieser Kraftstoff- Mehrverbrauch unakzeptabel.
  • Die in der Fig. 2 dargestellten Ergebnisse repräsentieren eine Belastung von 50% (585 Nm) bei einer mittleren Geschwindigkeit (1450 UpM), entsprechend der ECE-Vorschrift 49, Modus #4.
  • Es wurden weitere Tests durchgeführt bei verschiedenen Belastungs/Motorgeschwindigkeits-Kombinationen entsprechend den verschiedenen Modi der ECE R-49. In allen Fällen trat eine beträchtliche und unerwartete Reduktion der NOx-Emissionen auf, die mit der EGR-Rate zunahme. Das getestete System war nicht optimiert, dennoch wurden NOx-Reduktionen von 70% oder mehr erzielt. Es wird angenommen, dass eine konventionelle EGR, die bei viel höheren EGR-Raten als in der vorliegenden Erfindung betrieben wird, beispielsweise bei 30 bis 50%, keine NOx-Reduktionen von mehr als 60% ergibt.

Claims (6)

1. Hochleistungs-Dieselmotor (1), der ein Abgassystem aufweist, das umfasst einen Katalysator (5a) zur Umwandlung unter normalen Betriebsbedingungen von NO in NO&sub2;, eine Falle bzw. Sammeleinrichtung (5b) für Teilchen, die stromabwärts von dem Katalysator angeordnet ist, ein Abgas-Rückfiührungs-Ventil (8) und eine Einrichtung (7) zum Abkühlen eines Teils des Abgases, das rückgeführt wird, die stromabwärts von der Falle bzw. Sammeleinrichtung (5b) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (7) stromabwärts von dem Ventil (8) angeordnet ist.
2. Motor nach Anspruch 1, worin das Ventil (8) einstellbar ist zur Rückführung von 5 bis 30 Vol.% des Abgases je nach Position des Ventils.
3. Motor nach Anspruch 1 oder 2, worin ein Abgas-Rückführungssystem eine Pumpe umfasst, die unter der Kontrolle eines Motorsteuer-Systems betätigt werden kann.
4. Verwendung eines Abgassystems, das umfasst einen Katalysator (5a) für die Umwandlung unter normalen Betriebsbedingungen von NO in NO&sub2;, eine Falle bzw. Sammeleinrichtung (5b) für Teilchen, die stromabwärts von dem Katalysator angeordnet ist, ein Abgas-Rückführungsventil (8) und eine Einrichtung (7) zum Abkühlen eines Teils des Abgases, das rückgeführt wird, die stromabwärts von der Falle bzw. Sammeleinrichtung (5b) angeordnet ist, wobei die Kühleinrichtung (7) stromaufwärts von dem Ventil (8) angeordnet ist, zur Verringerung der NOX Emissionen aus einem Hochleistungs-Dieselmotor.
5. Verwendung nach Anspruch 4, bei der die Menge des rückgeführten Abgases in dem Bereich von 5 bis 30 Vol.- % liegt.
6. Verfahren zur Verringerung der NOx-Emissionen aus einem Hochleistungs-Dieselmotor, das umfasst die Oxidation von NO in einem Abgas zu NO&sub2; auf einem Katalysator, das Einfangen (Sammeln) mindestens der Mehrzahl der kohlenstoffhaltigen Teilchen in dem Gas in einer Falle bzw. Sammeleinrichtung, das Verbrennen der eingefangenen (gesammelten) Teilchen in dem NO&sub2;, das Abkühlen des Gases stromabwärts von der Falle (Sammeleinrichtung) und das Rückführen eines Teils des abgekühlten Gases in den Motor-Lufteinlass.
DE69808644T 1997-08-13 1998-08-10 Reduzierung des stickoxidausstosses bei dieselmotoren Expired - Lifetime DE69808644T2 (de)

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DE69808644D1 DE69808644D1 (de) 2002-11-14
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AU (1) AU8738798A (de)
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WO (1) WO1999009307A1 (de)

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