DE69834714T2

DE69834714T2 - Emissionssteurungssystem für eine brennkraftmaschine mit magergemischverbrennung

Info

Publication number: DE69834714T2
Application number: DE69834714T
Authority: DE
Inventors: Vincent Martyn TWIGG
Original assignee: Johnson Matthey PLC
Current assignee: Johnson Matthey PLC
Priority date: 1997-03-10
Filing date: 1998-03-09
Publication date: 2007-01-18
Anticipated expiration: 2018-03-10
Also published as: EP0969914B1; JP2001514718A; JP4294097B2; DE69834714D1; ATE327817T1; WO1998040153A1; EP0969914A1; GB9705010D0

Description

Diese Erfindung betrifft Verbesserungen bei Abgas- oder Emissionssteuerungs- oder -regelungssystemen und insbesondere betrifft sie Verbesserungen bei der Emissionskontrolle oder Abgasbegrenzung oder Emissionssteuerung für Motoren, die bei mageren Luft/Treibstoff-Verhältnissen, d.h. Luft/Treibstoff-Verhältnissen von größer als 14,7, im Allgemeinen im Bereich von 19 bis 50, arbeiten.
Es wird anerkannt werden, dass bei Magerverbrennungsmotoren von verschiedenen Typen, die insbesondere Diesel-, Magerverbrennungsotto- und Direkteinspritzungsottomotoren einschließen, die Steuerung oder Kontrolle oder Regelung von NO_x dazu neigt, schwierig zu sein. Dies ist verständlich, da die Abgase relativ hohe Mengen an Sauerstoff enthalten und daher die Entfernung von NO_x eine Reduktion von NO_x zu N₂ in einer gesamtoxidierenden Atmosphäre einschließt. Vorhergehende Ansätze schlossen die Speicherung von NO_x in den Emissionssteuerungssystem ein bis zu einer Zeit, bei der das Abgas relativ weniger Sauerstoff enthält, d.h. bis der Motor „fett" läuft, z.B. während einer Beschleunigung. Ein weiterer Ansatz oder Vorschlag ist es, unverbrannten Kohlenwasserstoff bis zu einem Zeitpunkt zu speichern, zu dem er freigesetzt werden kann, um für die NO_x-Reduktion beizutragen. Es verbleibt jedoch weiterhin der Bedarf an noch weiteren Systemen und Strategien, um eine Steuerung oder Regelung oder Begrenzung von NO_x-Emissionen unter mageren Bedingungen zu erreichen.
Wir entdeckten, dass sehr überraschend eine Verringerung der Beladung von Platin (gegebenenfalls in Gegenwart von unedlen Metallbestandteilen) verglichen zu herkömmlichen Abgaskatalysatoren dazu dient, die Selektivität des Katalysatorsystems zu einer NO_x-Reduktion zu erhöhen.
Die vorliegende Erfindung stellt daher einen Magerverbrennungsmotor bereit, umfassend ein Emissionssteuerungssystem, umfassend:

a) einen Mager-NO_x-Katalysator zur Reduktion von NO_x in einem Abgas zu N₂ in Gegenwart eines Kohlenwasserstoffreduktionsmittels, wobei der Mager-NO_x-Katalysator Platin als einziges Platingruppenmetall umfasst;
b) einen Oxidationskatalysator, der ein Platingruppenmetall umfasst; und
c) eine Einrichtung, um Kohlenwasserstofftreibstoff in das Abgas zu injizieren vor dem Mager-NO_x-Katalysator, wobei der Mager-NO_x-Katalysator angeordnet ist zwischen dem Motor und dem Oxidationskatalysator und wobei das Platin in dem Mager-NO_x-Katalysator mit einer Beladung von < 1071 g m^–3 (< 30 g/ft³) vorliegt.

Die Erfindung stellt auch ein Verfahren bereit zur Steuerung oder Regelung oder Begrenzung von Emissionen aus einem Magerverbrennungsmotor, wobei das Verfahren umfasst:

a) Einführen von Kohlenwasserstofftreibstoff in Abgas aus dem Motor;
b) Leiten des Abgases aus Stufe (a) über einen Mager-NO_x-Katalysator, um NO_x in dem Abgas zu N₂ zu reduzieren in Gegenwart des Kohlenwasserstoffreduktionsmittels, wobei der Mager-NO_x-Katalysator Platin als einziges Platingruppenmetall umfasst; und
c) Leiten der Produktgase, die aus dem Mager-NOx-Katalysator kommen, über einen Oxidationskatalysator, der ein Platingruppenmetall umfasst, um Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid zu oxidieren, wobei das Platin in dem Mager-NOx-Katalysator mit einer Beladung von < 1071 g m^–3 (< 30 g ft^–3) vorliegt.

Mit Selektivität für NO_x-Reduktion ist das Verhältnis gemeint des prozentualen (%) NO_x-Umsatzes zu dem prozentualen (%) Kohlenwasserstoffumsatz. Das Katalysatorsystem, das eine relativ hohe solche Selektivität aufweist, weist eine Selektivität von mindestens 0,2, vorzugsweise mindestens 0,3, insbesondere mindestens 0,4 auf; dies gilt gemessen bei einer Temperatur von 230°C, einer Raumgeschwindigkeit von 25000 h^–1 und einem Kohlenwasserstoff:NO_x-Einspeisungs- oder -Eingangsverhältnis von 3:1, wobei der Kohlenwasserstoff als Propanäquivalent gezählt wird. Das Katalysatorsystem, das eine hohe Aktivität oder Wirksamkeit für die Oxidation von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid aufweist, hat, gemessen unter den gleichen Bedingungen, einen prozentualen (%) Kohlenwasserstoffumsatz von mehr als 80%, vorzugsweise mehr als 90%; es hat, gemessen unter den gleichen Bedingungen, einen prozentualen (%) Kohlenmonoxidumsatz von mehr als 70%, vorzugsweise mehr als 80%, besonders bevorzugt größer als 90%, ganz besonders bevorzugt mehr als 95%. Dass die Katalysatorsysteme gemäß der Messung unter diesen Bedingungen definiert sind, bedeutet natürlich nicht, dass sie notwendigerweise bei diesen Bedingungen betrieben werden müssen. In einer besonderen Ausführungsform ist das erste Katalysatorsystem so, dass die Abgase aus dem Motor mit einer geringen Raumgeschwindigkeit, insbesondere weniger als 40000 h^–1, über es strömen oder fließen. Das zweite Katalysatorsystem ist in der Regel so, dass die Abgase aus dem Motor über es mit einer Raumgeschwindigkeit von 40000 bis 80000 h^–1 strömen oder fließen. Das zweite Katalysatorsystem enthält in der Regel Platin. Daher enthält in einer besonderen Ausführungsform jedes der ersten und zweiten Katalysatorsysteme Platin. Zur Verwendung wird das erste Katalysatorsystem vor dem zweiten Katalysatorsystem in die Abgasvorrichtung des Motors installiert oder eingebaut. Der Motor der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise in einem Fahrzeug, z.B. einem Personenkraftwagen oder Hochleistungs- oder Schwerlastkraftwagen.
Der Fachmann kann die vorliegende Erfindung in einer Vielzahl von Wegen anwenden. Das erste Katalysatorsystem umfasst eine relativ niedrige Beladung von einer katalytisch wirksamen Platinkomponente auf einem Substrat, gegebenenfalls in Kombination mit Komponenten oder Bestandteilen, die NO_x zurückhalten können und/oder reduzierenden Spezies, wie einem Zeolith oder ähnlichen Absorbentien oder Absorptionsmitteln oder Erdalkalimetallverbindungen. Das erste Katalysatorsystem enthält Platin als einziges Platingruppenmetall in einer Menge von weniger als 1071 g pro m³ (30 g/ft³).
Bei einer besonderen Ausführungsform stellt das erste Katalysatorsystem eine niedrige Raumgeschwindigkeit bereit. Normale Raumgeschwindigkeiten für Abgaskatalysatorsysteme betragen 40000 bis 80000 h^–1. Eine niedrigere Raumgeschwindigkeit kann leicht erreicht werden bei der Ausführung oder in der Praxis durch Erhöhen des Volumens des Katalysators oder durch Anwendung von zwei parallel geschalteten oder nebeneinander angeordneten Katalysator-„Klötzen" oder -„Ziegelsteinen".
Das zweite Katalysatorsystem wird benötigt für eine hohe Oxidationsaktivität. Ein solcher Katalysator muss keine NO_x-Selektivität aufweisen, muss aber im Stande sein, Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid unter den Reaktionsbedingungen zu oxidieren, bis zu einem gewünschten Ausmaß, in der Regel um so Emissionsstandardregulierungen zu erfüllen. Normale Raumgeschwindigkeiten können verwendet werden. Das zweite Katalysatorsystem umfasst in der Regel ein Platingruppenmetall, insbesondere Platin, gegebenenfalls in Gegenwart von unedlen Metallbestandteilen. Ein geeigneter Oxidationskatalysator umfasst Platin auf einem Träger mit einer großen Oberfläche, gegebenenfalls mit anderen Bestandteilen, die solche Oxidationen fördern oder begünstigen.
Der Fachmann ist sehr vertraut mit herkömmlicher Abgaskatalysatortechnologie. Im Allgemeinen ist ein Träger, der ein extrudiertes keramisches Material von einem Bienenwabentyp ist oder ein gewickelter Metallmonolith oder „Klotz" oder „Ziegelstein" („Brick") ist, mit einer die Oberfläche vergrößernden Grundierung (Washcoat) beschichtet, z.B. einer Grundierung, die Aluminiumoxid umfasst oder aus Aluminiumoxid besteht. Abgeschieden auf der Grundierung ist eine Beschichtung von ein oder mehreren katalytischen Komponenten oder Bestandteilen, gegebenenfalls mit ein oder mehreren anderen Bestandteilen, wie Ceroxid, Zirconiumoxid, einem Zeolith oder dergleichen, und der Katalysator kann ein Mehrkomponentenkatalysator sein, der abgeschieden ist in getrennten Schichten, oder einige Bestandteile können geschichtet sein mit anderen Bestandteilen, die überall in solchen Schichten verteilt sind. Bei der vorliegenden Erfindung sind die ausgewählten tatsächlichen Katalysatoren und ihr Aufbau oder Darstellung oder Konstruktion nicht entscheidend.
Es ist nun gut bekannt, dass Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe eine Rolle spielen bei der Reduktion von NO_x. Wenn z.B. C₃H₆ als Kohlenwasserstoff genommen wird, könnten die folgenden Reaktionen stattfinden: 18NO + 2C₃H₆ → 9N₂ + 6CO₂ + 6H₂O 2NO + 2CO → N₂ + 2CO₂
Die molaren Verhältnisse, die benötigt werden zur NO_x-Reduktion, nämlich C₃H₆ zu NO und CO zu NO, überschreiten den europäischen Testzyklus im Mittel bei einem Dieselmotor. Es gibt jedoch eine Konkurrenz zwischen NO_x und Sauerstoff für die reduzierende Spezies, und normalerweise werden nur relativ niedrige NO_x-Umsätze (z.B. viel weniger als 10%) erreicht in dem europäischen Testzyklus.
Bei der vorliegenden Erfindung wird der NO_x-Umsatz unter bestimmten Bedingungen erhöht durch Erhöhung der relativen Menge an Kohlenwasserstoffen in dem Abgas durch Injektion oder Einspritzen von Treibstoff in das Abgas stromaufwärts von oder vorgeschaltet zu dem ersten Katalysatorsystem. Außerdem kann eine Kohlenwasserstoffspeicherung unter Verwendung von Zeolithen oder dergleichen nützlich sein. Es wird willkommen sein oder geschätzt werden, dass es eine geringe Treibstoffverbrauchsstrafe gibt, wenn eine Treibstoffinjektion oder Treibstoffeinspritzung in das Abgas verwendet wird. Das zweite Katalysatorsystem hoher Wirksamkeit ist leicht im Stande zur Katalyse der Oxidation von beliebigen Überschusskohlenwasserstoffen unter den mageren Bedingungen oder Magerbedingungen.
Eine herkömmliche Katalysatorherstellungstechnologie kann verwendet werden.
Die ersten und zweiten Katalysatorsysteme können in eine einzelne „Dose" oder „Kanister" („can") in dem Abgassystem befestigt oder montiert werden, oder sie können getrennt werden durch eine Länge an Abgasrohr.
Im Motor der vorliegenden Erfindung ist im Allgemeinen ein Diesel-, Magerverbrennungsotto- oder Direkteinspritzungs-Ottomotor.
Die vorliegende Erfindung wird veranschaulicht durch die folgenden Tests.
Test 1
Die Zunahme an NO_x-Selektivität, entsprechend einer abnehmenden Platinbeladung, wurde gezeigt für einen Standard 6 Inch (15,2 cm) Katalysatorklotz oder Katalysatorziegel (catalyst brick). Abgas aus einem 1,9 l Turbodirekteinspritzungsdieselmotorprüfstand, bei Gleichgewichtsbedingungen betrieben, wurde verwendet. Die NO_x-Selektivität wird gemessen als prozentualer (%) NO_x-Umsatz bei 230°C/prozentualem (%) Kohlenwasserstoffumsatz bei 230°C. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 unten gezeigt.
Tabelle 1
Eine verringerte Beladung des Katalysators verbessert daher die Selektivität.
Test 2
Die Erhöhung im NO_x-Umsatz, bei einer konstanten Platinbeladung (1,5 g) pro Katalysatorziegel, durch Verringerung der Raumgeschwindigkeit und Verringerung der Ladung in g/Einheitsvolumen wurde gemessen. Der gleiche Motor und die gleichen Bedingungen wie in Test 1 wurden verwendet. Der NO_x-Umsatz wurde gemessen mit Rohabgas aus dem Motor („passiv") und mit dem Zusatz von Kohlenwasserstoff (KW) in das Abgas, um ein KWC3:NO_x-Verhältnis von 2,0:1 zu erhalten. KWC3 bedeutet, dass der Kohlenwasserstoff als Propanäquivalent gezählt wird.
Tabelle 2
Es kann klar ersehen werden, dass eine Erhöhung der Katalysatorlänge und daher eine Verringerung der Raumgeschwindigkeit nützlich ist für den Gesamt-NO_x-Umsatz.
Beispiel 1
Ein Personenkraftwagen eines 1996er Modells mit einem 2,5 l Turbodirekteinspritzungsdieselmotor wurde verwendet mit mehreren verschiedenen Abgaskatalysatorsystemen für einen Standard-EUDC-Emissionstest (Extra Urban Driving Cycle Emissionstest der Europäischen Union). Die Ergebnisse sind in der Tabelle 3 unten gezeigt.
Tabelle 3
Anmerkungen:

(1) OEM (Original Equipment Manufacturer) Katalysator, 15,2 cm (6 inch) lang mit 1643 gm^–3 (46 g/ft"³) Pt.
(2) Fortgeschrittener Oxidationskatalysator, 15,2 cm (6 inch) lang mit 1429 gm^–3 (40 g/ft^–3) Pt.
(3) Mager-NO_x-Katalysator, 30,5 cm (12 inch) lang mit 893 gm^–3 (25 g/ft^–3) Pt.
(4) PM = Particulate Matter, Feststoffe oder Partikel oder Feinstaub, g/km
(5) Mager-NO_x-Katalysator, 22,9 cm (9 inch) lang mit 893 gm^–3 (25 g/ft^–3) Pt, gefolgt von einem Oxidationskatalysator, 7,6 cm (3 inch) lang mit 3571 gm^–3 (100 g/ft^–3) Pt.

Alle Katalysatoren wurden frisch verwendet, d.h. ohne Alterung.
Es kann leicht ersehen werden, dass die niedrige Beladung, niedrige Raumgeschwindigkeit des Mager-NO_x-Katalysators sehr wirksam ist bei der Umsetzung von NO_x, und dass die Kombination gemäß der Erfindung bemerkenswert wirksam ist.

Claims

Magerverbrennungsmotor, umfassend ein Emissionssteuerungssystem, umfassend: a) einen Mager-NO_x-Katalysator zur Reduktion von NO_x in einem Abgas zu N₂ in Gegenwart eines Kohlenwasserstoffreduktionsmittels, wobei der Mager-NO_x-Katalysator Platin als einziges Platingruppenmetall umfasst; b) einen Oxidationskatalysator, der ein Platingruppenmetall umfasst; und c) eine Einrichtung, um Kohlenwasserstofftreibstoff in das Abgas zu injizieren vor dem Mager-NO_x-Katalysator, wobei der Mager-NO_x-Katalysator angeordnet ist zwischen dem Motor und dem Oxidationskatalysator und wobei das Platin in dem Mager-NO_x-Katalysator mit einer Beladung von < 1071 g m^–3 (< 30 g/ft³) vorliegt.
Motor gemäß Anspruch 1, wobei die Wirksamkeit des Mager-NO_x-Katalysators so ist, dass er ein Verhältnis von prozentualem (%) NO-Umsatz zu prozentualem (%) Kohlenwasserstoffumsatz von mindestens 0,2 aufweist, gemessen bei einer Temperatur von 230 °C, einer Raumgeschwindigkeit von 25000 h–1 und einem Kohlenwasserstoff:NO_x-Einspeisungsverhältnis von 3:1, wobei der Kohlenwasserstoff als Propanäquivalent gezählt wird.
Motor gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Mager-NO_x-Katalysator ein Erdalkalimetall umfasst.
Motor gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Mager-NO_x-Katalysator einen Zeolith umfasst.
Motor gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei die Wirksamkeit des Oxidationskatalysators so ist, dass er einen prozentualen (%) Kohlenwasserstoffumsatz von größer als 80% aufweist und einen prozentualen (%) Kohlenmonoxidumsatz von größer als 70%, gemessen bei einer Temperatur von 230 °C, einer Raumgeschwindigkeit von 25000 h^–1 und einem Kohlenwasserstoff:NO_x-Einspeisungsverhältnis von 3:1, wobei der Kohlenwasserstoff als Propanäquivalent gezählt wird.
Motor nach einem beliebigen vorstehenden Anspruch, wobei der Oxidationskatalysator ein unedles Metall umfasst.
Motor nach einem beliebigen vorstehenden Anspruch, wobei das Oxidationskatalysatorplatingruppenmetall für Platin steht, gegebenenfalls mit einer Beladung von 3571 g m^–3 (100 g ft^–3).
Motor nach einem beliebigen vorstehenden Anspruch, wobei der Mager-NO_x-Katalysator beschichtet ist auf zwei Katalysatormonolithen, die parallel angeordnet sind.
Motor nach einem beliebigen vorstehenden Anspruch, wobei der Motor für einen Dieselmotor, einen Magerverbrennungsottomotor oder einen Direkteinspritzungsottomotor steht.
Verfahren zur Steuerung von Emissionen aus einem Magerverbrennungsmotor, wobei das Verfahren umfasst: a) Einführen von Kohlenwasserstofftreibstoff in Abgas aus dem Motor; b) Leiten des Abgases aus Stufe (a) über einen Mager-NO_x-Katalysator, um NO_x in dem Abgas zu N₂ zu reduzieren in Gegenwart des Kohlenwasserstoffreduktionsmittels, wobei der Mager-NO_x-Katalysator Platin als einziges Platingruppenmetall umfasst; und c) Leiten der Produktgase, die aus dem Mager-NO_x-Katalysator kommen, über einen Oxidationskatalysator, der ein Platingruppenmetall umfasst, um Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxid zu oxidieren, wobei das Platin in dem Mager-NO_x-Katalysator mit einer Beladung von < 1071 g m^–3 (< 30 g ft^–3) vorliegt.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei die Raumgeschwindigkeit von Abgas über dem Mager-NO_x-Katalysator unterhalb von 40000 h^–1 liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei die Raumgeschwindigkeit von Abgas über dem Oxidationskatalysator 40000 bis 80000 h^–1 beträgt.