DE69902446T3

DE69902446T3 - Verbesserungen der schadstoffregelung

Info

Publication number: DE69902446T3
Application number: DE69902446T
Authority: DE
Inventors: Guy Richard Little Eversden CHANDLER; Vincent Martyn Caxton TWIGG
Original assignee: Johnson Matthey PLC
Current assignee: Johnson Matthey PLC
Priority date: 1998-03-06
Filing date: 1999-03-03
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2019-03-04
Also published as: JP2002505402A; WO1999044725A1; DK1060004T4; US20060254266A1; CA2323359C; DK1060004T3; EP1060004A1; DE69902446T2; DE69902446D1; EP1060004B2; US20050166577A1; CA2323359A1; US7111453B2; JP4659981B2; US6889498B1; US7430857B2; EP1060004B1; ATE221797T1; GB9804739D0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen bei einer Emissionskontrolle und betrifft insbesondere die Emissionskontrolle von Dieselmotoren.
Es gibt zwei Hauptkategorien von Dieselmotoren, nämlich Hochleistungsmotoren, bei denen es sich im Prinzip um große Motoren für Lastkraftwagen, Busse und Antriebsmotoren für Zugmaschinen, Schiffe und Boote und um stationäre Motoren handelt, und Niederleistungsmotoren, wie sie in kleineren Lastkraftwagen und Personenfahrzeugen Anwendung finden. Mit den zunehmend strenger werdenden Verordnungen für die Emissionen aller Arten von Motoren gilt das Augenmerk nun einer Kontrolle von Emissionen, wie Partikeln und Stickoxiden (NO_x), in den Abgasen von Dieselmotoren. In EP 0 341 832 A wird eine Vorrichtung beschrieben, welche sich von Johnson Matthey unter der Bezeichnung Continuously Regenerating Trap – CRT – im Handel befindet. Diese Vorrichtung fängt Rußpartikel ein und verbrennt diese dann durch Einwirkung von NO₂, welches im Allgemeinen durch katalytische Oxidation des im Abgasstroms vorhandenen NO erzeugt wird. Sie hat sich als besonders erfolgreich erwiesen bei der Kontrolle von Partikelemissionen aus Hochleistungsdieselmotoren, wobei sogar null Emissionen an Teilchen erzielt werden können. Somit ist die im Handel befindliche CRT bezüglich der Entfernung von Partikeln, wie sie in den einschlägigen Verordnungen definiert sind, zu etwa 100 % wirksam.
Es hat sich nun gezeigt, dass eine herkömmliche CRT zur Emissionskontrolle, wie sie den europäischen Verordnungen der Stufen III, IV oder höher für Niederleistungsmotoren entsprechen, nicht kostspielig zu sein braucht. Zur Kontrolle von Partikeln und NO_x gibt es nämlich eine Reihe verschiedener Optionen, wobei von den Motorenherstellern bisher entsprechende Gestaltungen und Handhabungen von Motoren begünstigt werden. Im Allgemeinen lassen sich mit einer geeigneten Gestaltung des Motors bezüglich NO_x und Partikeln bereits die Emissionsstandards der Europastufe II erreichen, wobei der Dieselmotor jedoch Charakteristiken aufweist, dass sich lediglich durch eine besondere Gestaltung des Motors eine Verbesserung des Ausstoßes an Teilchen über etwa 0,4 g/km ohne eine ernsthafte Zunahme der Menge an NO_x nicht erreichen lässt, da dieses unter Bedingungen einer Niederleistung schwer zu handhaben ist. Es besteht daher noch immer ein Bedarf an wirksamen Systemen, welche diese Emissionsverordnungen erfüllen und zugleich die Optionen zur Gestaltung von Motoren erhöhen.
In EP 0 758 713 A (Toyota) wird ein Beitrag zu den CRT Prinzipien beschrieben, der die Absorption von NO aus Gasen in einem NO_x Absorbens umfasst, welche eine Kombination aus Oxidationskatalysator und einem Filter oder einer Falle für Dieselpartikel bei einem CRT Typ verlassen, in einem NO_x Absorbens umfasst, die durch eine der Reaktionen von NO₂ mit Kohlenstoffpartikeln gebildet werden.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich nun auf eine Vorrichtung zur Nachbehandlung eines Abgases zwecks Emissionskontrolle der Abgase von Dieselmotoren, insbesondere von Niederleistungsdieselmotoren, umfassend eine NO₂-Quelle, insbesondere einen Oxidationskatalysator, wodurch sich ein Teil des NO im Abgas des Dieselmotors zu NO₂ umwandeln lässt, eine Partikelfalle und eine Abgasumgehung, wobei diese Umgehung permanent offen ist und unter allen Betriebsbedingungen so arbeitet, dass ein Teil der Abgase die Partikelfalle nicht passiert und höchstens 85 Gew.-% der aus dem Motor austretenden Partikel in der Partikelfalle eingefangen und darin in Gegenwart von NO₂ verbrannt werden. Je nach den verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Menge an gesammelten und verbrannten Partikeln höchstens 85 Gew.-%, 60 Gew.-% oder mindestens 50 Gew.-% betragen. Wichtig ist aber, dass alle gesammelten Partikel verbrannt werden (während mehrerer Be triebszyklen, aber nicht unbedingt nur über einen einzigen Betriebszyklus), um eine Akkumulation im Filter und dessen Blockierung zu vermeiden. Durch die vorhandene Umgehung wird ein Aufbau eines Rückdrucks abgeschwächt, der eine Leistungsabnahme des Motors zur Folge hätte.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Emissionskontrolle von Partikeln in Abgasen von Dieselmotoren durch Einfangen und nachfolgende Verbrennung der Partikel, umfassend ein Einfangen von höchstens 85 Gew.-% der im Abgas enthaltenen Partikel in einer Partikelfalle, eine Verbrennung der eingefangenen Partikel in Gegenwart von NO₂ und eine Umgehung für einen Teil der in der Partikelfalle befindlichen Abgase, wobei die Stufe dieser Umgehung unter allen Betriebsbedingungen arbeitet.
Die NO₂ Quelle ist besonders zweckmäßig ein Oxidationskatalysator eines allgemein bekannten Typs, der mindestens einen Teil des in den Dieselabgasen enthaltenen NO zu NO₂ umwandeln kann. Die vorliegende Erfindung beinhaltet in ihrem Schutzumfang jedoch auch Abwandlungen, zu denen andere NO₂ Quellen gehören. Solche Quellen können beispielsweise komprimiertes NO₂ oder sonstige Chemikalienquellen sein, welche durch Zersetzung oder Reaktion, möglicherweise über einen Katalysator, eine Bildung von NO₂ ergeben, wie Salpetersäure, Ammoniak, Harnstoff und dergleichen. Die Erfindung umfasst innerhalb ihres Schutzumfangs auch alle Wege zur Herstellung von NO₂ aus den Komponenten der Abgase. Hierzu gehören beispielsweise eine Zugabe einer oder mehrerer katalytischer Komponenten zum Kraftstoff, so dass es zu einer Ablagerung der Komponenten auf den Abgaskomponenten unter Einschluss des Filters kommt, eine Katalysierung des Filters oder von Teilen hiervon mit Katalysatoren, die bei niederen Temperaturen NO zu NO₂ umwandeln können, die Anwendung eines Plasmas zur Erzeugung von NO₂ durch Behandlung der gesamten Abgase oder eines Teils hiervon und andere dem Fachmann bekannte Verfahren.
Bei der Erfindung ist die Partikelfalle oder die Einfangvorrichtung hierfür so ausgelegt, dass sie weniger als 100 % wirksam ist, was mehrere Vorteile mit sich bringen kann. Der erste dieser Vorteile ist eine beträchtliche Erniedrigung des Rückdrucks. Niederleistungsdieselmotoren sind dem Rückdruck aus Abgassystem wesentlich weniger gewachsen als Hochleistungsdieselmotoren, da sie über eine geringere Kapazität und Leistung verfügen und da diese Motoren in Extremfällen sogar ruiniert werden können.
Die vorliegende Erfindung dient auch zur Lösung einiger Probleme, welche beim praktischen Einsatz von Niederleistungsdieselmotoren auftreten können. Beim Einsatz solcher Motoren in Kleinautomobilen oder Vans sind diese in der Regel bei niedrigen Geschwindigkeiten in Städten über große Zeitabschnitte im Betrieb, so dass die Abgastemperatur ziemlich niedrig ist, nämlich womöglich nicht mehr als 100 bis 120 °C beträgt. Unter diesen Bedingungen werden Rußpartikel im Allgemeinen zwar in geringeren Mengen als unter hoher Belastung gebildet, wobei hier die Temperatur aber unter der Temperatur für die wirksamste Oxidation von NO zu NO₂ liegt, so dass nicht genügend NO₂ vorhanden ist, oder die Reaktionstemperatur für eine wirksame Verbrennung der Rußpartikel zu niedrig ist. Daher sollte zwecks Einhaltung der Emissionsverordnung bei vielen Fahrzeugen während des Großteils der Zeit die Partikelfalle ausreichend viele Partikel einsammeln, dies aber unter Anwendung einer Ausgestaltung, die solche Partikel für eine nachfolgende Verbrennung einfängt, wenn sich die Bedingungen verbessert haben, so dass das Abgas ohne übermäßigen Rückdruck die Partikelfalle passieren kann. In solchen Systemen werden wenigstens 50 Gew.-% Partikel eingefangen und anschließend verbrannt, wenn sich die Betriebsbedingungen im gleichen oder in einem nachfolgenden Betriebszyklus verbessert haben.
Selbstverständlich ist der Hauptzweck der Erfindung die Entfernung nur eines Teils der Partikel aus dem Abgasstrom. Absicht hierfür ist eine adäquate Erfüllung der jeweiligen Emissionsverordnung in Kombination mit entsprechenden Verbesserungen bei den Gestaltungen und Handhabungen des jeweiligen Motors. Die geringere Effizienz des Einfangens von Partikeln durch die vorliegende Erfindung sorgt für eine signifikante Kostenerniedrigung, mit einem erniedrigten Volumen und Gewicht sowohl des Katalysators als auch der Partikelfalle im Vergleich zum Stand der Technik einer CRT, die für einen solchen Motor ausgelegt ist.
Beim Oxidationskatalysator kann es sich um irgendeinen Katalysator handeln, der für eine wirksame Umwandlung von genügend NO zu NO₂ sorgt, und dieser Katalysator ist zweckmäßigerweise ein stark mit Platin beladener Katalysator auf einem Keramikträger oder einem Wabenkörper aus Metall als Träger. Dadurch wird angestrebt, dass zusätzlich zur Erniedrigung des Volumens und des Gewichts des Katalysators auch Einsparungen in der Beladung durch ein Edelmetall erfolgen können, wodurch die Kosten noch weiter erniedrigt werden.
Die Partikelfalle kann zweckmäßig ein geflochtenes oder gewirktes Drahtgitter, ein perforiertes Metall oder eine geeignete Keramik sein. Zu bevorzugten Partikelfallen gehören insbesondere diejenigen, welche als Wandströmungsfilter bekannt sind. Die Partikelfalle ist für jede individuelle Motorausgestaltung zweckmäßig ausgelegt, da sich Partikelemissionen signifikant von Motor zu Motor unterscheiden. Die Partikelfalle kann eine katalytische Beschichtung aufweisen, um eine Verbrennung bei niedrigen Temperaturen zu initiieren, muss aber nicht unbedingt beschichtet sein.
Eine Weiterentwicklung des Konzepts der vorliegenden Erfindung hat zu Studien von Strömungsmustern und Druckmustern geführt, die innerhalb solcher Abgasbehandlungssysteme vorliegen. Bei einer nicht erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher die Partikelfalle über eine periphere Umleitung verfügt, durch welche die Abgase nur dann strömen, wenn der zentrale Teil der Falle blockiert wird, ist ebenfalls gezeigt. Hierbei kann der Gasstrom durch eine Reihe von Mitteln zum zentralen Teil geführt werden, wie insbesondere durch Prellplatten oder Prellkonen, Metalllippen und dergleichen, wobei nun aber gefunden wurde, dass eine Erstreckung des Katalysators in die periphere Fläche besonders einfach und wirksam ist, um die Strömungsgeschwindigkeit des Gasstroms in diesem Bereich zu erniedrigen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Kombination des Emissionskontrollsystems mit Mitteln zur NO_x Kontrolle. Die NO_x Kontrolle lässt sich in einer Reihe von Wegen erreichen, wie durch eine Abgasrezirkulation, eine Anwendung eines NO_x Umwandlungskatalysators stromabwärts von der Teilchenfalle oder bevorzugter eine Kombination des Fallensystems mit einem NO_x Absorbens. Solche NO_x Absorbentien sind dem Fachmann bekannt und können Gebrauch machen von einem Erdalkalimetalloxid, wie Bariumoxid oder Kalziumoxid oder von sonstigen geeigneten Materialien. Zusammen mit dem erfindungsgemäßen Fallensystem lässt sich durch ein solches Absorbens eine äußerst brauchbare Emissionskontrolle erreichen, beispielsweise unter einer Partikelentfernung von bis zu etwa 80 % in Kombination mit einer Entfernung von NO_x bis zu ebenfalls etwa 80 %. Die NO_x Falle ist zweckmäßig ein einzelner Durchströmungsbehälter, der durch eine Reihe an Wegen durch periodische Anreicherung des Abgases regeneriert werden kann. Bei einer noch weiter bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Fallensystem mit einem mageren NO_x Katalysator und einer NO_x Falle kombiniert. Eine besonders geeignete Ausführungsform besteht darin, dass die NO_x Falle ein Einfangen von NO_x bei niedrigen Temperaturen und eine Freigabe von NO_x bei höheren Temperaturen bewirkt, beispielsweise bei Temperaturen von etwa 250°C, nämlich bei Temperaturen, bei denen NO_x leichter umgewandelt und/oder zur Verbrennung der Partikel entsprechend der vorliegenden Verbindung angewandt werden kann.
Bei Verwendung des derzeit bevorzugten Katalysators auf Platinbasis sollte die vorliegende Erfindung in Kombination mit einem Treibstoff eingesetzt werden, der nicht mehr als 50 ppm Schwefel und vorzugsweise weniger als 15 ppm Schwefel, besonders bevorzugt weniger als 10 ppm Schwefel, enthält. Andere Katalysatorsysteme können bei Treibstoffen mit breiterem Schwefelgehalt angewandt werden.
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren näher erläutert. Darin zeigen:
1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung,
2 einen schematischen Längsschnitt durch eine nicht erfindungsgemäße Vorrichtung,
3 einen schematischen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung und
4 einen schematischen Längsschnitt durch eine weitere nicht erfindungsgemäße Vorrichtung.
Die 1 zeigt einen Behälter 1, der in einem Abgassystem eines Niederleistungsdieselmotors angeordnet ist, beispielsweise in einem 1,9 l Tdi Motor. Der Behälter 1 enthält einen Oxidationskatalysator 2, bei dem es sich um einen Platinkatalysator auf einen Wabenkörper aus Metall mit 100 Zellen × inch^–2 (15,5 Zellen × cm^–2) als Träger handelt. Die Partikel passieren den Katalysator. Stromabwärts vom Katalysator ist ein perforierter Gasverteiler 3 angeordnet, wobei der Gasverteiler 3 von einem Sinterfilter 4 aus einem korrosionsfesten Stahlmantel umgeben ist, der zentral im Behälter angeordnet ist. Die Abgase können, wie ersichtlich, über eine Umleitung abgeleitet werden, wenn der Filter verstopft wird. Unter idealen Bedingungen werden im Filter Rußpartikel eingefangen, die kontinuierlich im durch den Katalysator erzeugten NO₂ verbrannt werden, was nach einer oder mehrerer der folgenden Gleichungen geschehen kann: NO₂+ C → NO + CO 2NO₂ + C → 2NO + CO₂ 2NO₂ + 2C → N₂ + 2CO₂ NO₂+ O₂+ C → 2NO + CO₂
Unter nicht idealen Bedingungen, nämlich bei niedrigen Abgastemperaturen, wird lediglich ein Teil der Partikel vom Filter eingefangen, während der Großteil des Abgases den Filter nicht passiert und somit umgeleitet wird. Eine Rückkehr zu höheren Abgastemperaturen ermöglicht einen erneuten Beginn der Verbrennungsreaktion, so dass die Partikel insgesamt vom Filter entfernt werden können.
Die 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung, die eine wesentliche Akkumulation von Partikeln ohne Umleitung ermöglicht, jedoch unter Anwendung eines Filters 5, der nicht 100 % wirksam ist. Zur Kennzeichnung der gleichen Teile wie in der 1 werden identische Bezugsziffern verwendet. Diese Vorrichtung verfügt über eine ausreichende Kapazität zur Akkumulation von Partikeln unter allen normalen Betriebsbedingungen.
Die 3 zeigt eine von der in 1 dargestellten Ausführungsform leicht unterschiedliche periphere Umleitung für Abgase. Hierbei werden die Partikel durch einen Aufprall auf einer Prellplatte 6 eingefangen, was durch die mit 7 bezeichnete Masse gezeigt ist. Die Prellplatte ist vorzugsweise gasdurchlässig und wirkt als Filter. Mit steigenden Abgastemperaturen kontaktieren die heißen Gase sofort die eingefangenen Partikel und sorgen für eine rasche Verbrennung. Bei dieser Ausführungsform kann eine elektrische Beheizung der Einfangfläche auf der Platte vorgesehen sein, wodurch für eine heiße Stelle zur Initiierung einer Verbrennung gesorgt wird. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Prellplatte hochstehende Wände aufweisen, so dass sich ein U-förmiger Querschnittsbereich ergibt.
Bei der in 4 gezeigten Vorrichtung strömt das Motorabgas durch einen Katalysator 2, der eine periphere Lippe 2a aufweist. Der sich hierdurch ergebende erhöhte Widerstand für eine Strömung in den peripheren Bereich sorgt dafür, dass der Großteil der Gase durch die zentrale Filterregion der Falle 4 (4a) strömt, und zwar eher als durch die offene periphere Umleitung (4b). Hierdurch werden unter normalen Betriebsbedingungen nur vernachlässigbare Mengen an Abgasen über die Umleitung des Filters geführt, wobei bei einer Blockierung des Filters durch Partikel das System aber sicher bleibt, da die Gase den Filter umgehen können. Durch dieses System ergeben sich niedrige Rückdrucke.
Die Vorrichtung gemäß der obigen 4 wird zu Testzwecken in ein übliches 1,9 l Tdi Auto eingebaut, das so ausgerüstet ist, dass es alle europäischen Auflagen der Stufe II erfüllt. Nach einem Straßenbetrieb von 1000 Meilen wird die Vorrichtung nach dem europäischen Testprotokoll der Stufe III geprüft. Hierdurch werden die folgenden Testversuche erhalten:
Der Vollständigkeit halber ist zu bemerken, dass diese Ergebnisse auch den Verordnungen der Stufe IV mit der Ausnahme des Gehalts an NO_x entsprechen. Zwecks Erniedrigung der NO_x Emissionen auf Werte der Stufe IV können aber anerkannte Verfahren zum Aufbau und zur Steuerung von Motoren angewandt werden, allerdings mit einem sich dabei ergebenden Anstieg der Partikel, wobei das erfindungsgemäße Material aber ebenfalls für eine Behandlung solcher Emissionen geeignet ist.

Claims

Vorrichtung zur Nachbehandlung eines Abgases zwecks Emissionskontrolle der Abgase von Dieselmotoren, insbesondere von Niederleistungsdieselmotoren, umfassend eine NO₂-Quelle, eine Partikelfalle und eine Abgasumgehung, wobei diese Umgehung permanent offen ist und unter allen Betriebsbedingungen so arbeitet, dass ein Teil der Abgase die Partikelfalle nicht passiert und höchstens 85 Gew.-% der aus dem Motor austretenden Partikel in der Partikelfalle eingefangen und darin in Gegenwart von NO₂ verbrannt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die NO₂-Quelle ein Katalysator ist, der mindestens einen Teil des NO im Abgas zu NO₂ umwandeln kann.
Vorrichtung nach Anspruch 2, worin die Abgase den Katalysator passieren, bevor sie die Partikelfalle passieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin mindestens 50 Gew.-% der Partikel eingefangen und verbrannt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 4, worin die eingefangenen Partikel erst dann verbrannt werden, wenn die Betriebsbedingungen im gleichen oder in einem nachfolgenden Betriebscyclus verbessert sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Kombination mit einem NO_x-Absorbens.
Vorrichtung nach Anspruch 6, worin das NO_x Absorbens wirksam ist zum Einfangen von NO_x bei verhältnismäßig niedrigen Abgastemperaturen und zur Freisetzung von NO_x, sobald die Abgastemperatur etwa 250°C übersteigt, zwecks Umwandlung und/oder Verbrauchs der Partikel bei der Verbrennung.
Verfahren zur Emissionskontrolle von Partikeln in Abgasen von Dieselmotoren durch Einfangen und nachfolgende Verbrennung der Partikel, umfassend ein Einfangen von höchstens 85 Gew.-% der im Abgas enthaltenen Partikel in einer Partikelfalle, eine Verbrennung der eingefangenen Partikel in Gegenwart von NO₂ und eine Umgehung der Partikelfalle für einen Teil der Abgase, wobei die Stufe dieser Umgehung unter allen Betriebsbedingungen arbeitet.