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EP1515012A1 - Vorrichtung zur Entfernung von Russpartikeln aus einem Abgasstrom von Verbrennungsmotoren - Google Patents

Vorrichtung zur Entfernung von Russpartikeln aus einem Abgasstrom von Verbrennungsmotoren Download PDF

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Publication number
EP1515012A1
EP1515012A1 EP03020688A EP03020688A EP1515012A1 EP 1515012 A1 EP1515012 A1 EP 1515012A1 EP 03020688 A EP03020688 A EP 03020688A EP 03020688 A EP03020688 A EP 03020688A EP 1515012 A1 EP1515012 A1 EP 1515012A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
metal
metal foam
exhaust gas
module
soot particles
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP03020688A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1515012B1 (de
Inventor
Rolf Miebach
Wather Dr. Pelzer
Christian Dr. Kolbeck
Siegfried Figoutz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pankl Emission Control Systems GmbH
Original Assignee
PS Unternehmensbeteiligungs GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority to EP06021008A priority Critical patent/EP1734234A3/de
Priority to AT03020688T priority patent/ATE342434T1/de
Priority to DE50305367T priority patent/DE50305367D1/de
Priority to ES03020688T priority patent/ES2272867T3/es
Priority to EP03020688A priority patent/EP1515012B1/de
Application filed by PS Unternehmensbeteiligungs GmbH filed Critical PS Unternehmensbeteiligungs GmbH
Priority to DK03020688T priority patent/DK1515012T3/da
Priority to US10/938,716 priority patent/US20050056977A1/en
Publication of EP1515012A1 publication Critical patent/EP1515012A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1515012B1 publication Critical patent/EP1515012B1/de
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/24—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by constructional aspects of converting apparatus
    • F01N3/28—Construction of catalytic reactors
    • F01N3/2803—Construction of catalytic reactors characterised by structure, by material or by manufacturing of catalyst support
    • F01N3/2807—Metal other than sintered metal
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01N3/021—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters
    • F01N3/023—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters using means for regenerating the filters, e.g. by burning trapped particles
    • F01N3/0231—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust by means of filters using means for regenerating the filters, e.g. by burning trapped particles using special exhaust apparatus upstream of the filter for producing nitrogen dioxide, e.g. for continuous filter regeneration systems [CRT]
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    • F01N2330/14—Sintered material
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    • F01N2330/22—Metal foam
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2340/00—Dimensional characteristics of the exhaust system, e.g. length, diameter or volume of the apparatus; Spatial arrangements of exhaust apparatuses

Definitions

  • the invention relates to a device for removing soot particles from an exhaust gas stream of internal combustion engines in a module (1) by oxidation of the temporarily trapped soot particles with nitrogen dioxide (NO 2 ), wherein the nitrogen dioxide by oxidation of existing in the exhaust nitrogen monoxide (NO) to a catalyst in Depending on the flow rate of the exhaust gas at a temperature above about 200 ° C is formed.
  • NO 2 nitrogen dioxide
  • Another way to continuously remove the filtered soot particles consists in passing the particles through Injecting a the combustion temperature of the soot particles Remove degrading additive from the filter substrate. Such an approach is also not very special suitable solution, because the additives supplied to the self Contribute to ash formation.
  • EP 835684 A2 discloses a method for the exhaust aftertreatment of vans and passenger cars. According to the specified method, the exhaust gas is passed over two catalysts arranged one behind the other. On the first catalyst, the nitrogen monoxide contained in the exhaust gas is oxidized to nitrogen dioxide. At the second downstream catalyst, which acts as a filter, the collected soot particles are then deposited and oxidized at a temperature of about 250 ° C partly according to equation (1) to carbon dioxide CO 2 and the nitrogen dioxide NO 2 reduced to nitrogen: 2NO 2 + 2C ⁇ 2CO 2 + N 2
  • the first catalyst used consists of a honeycomb flow monolith, with an oxidation catalyst is coated.
  • From DE 3407172 C2 is a device for Exhaust gas aftertreatment of diesel engines known in a Housing a series of filter elements with different Contains distance from each other. It has at least one Filter element A is the combustion temperature of soot degrading coating on. Next is at least one Filter element B is present, the one of the combustion of harmful gaseous substances supporting catalyst contains.
  • WO 99/09307 is a method for the reduction of Soot emission from heavy trucks known.
  • the exhaust gas for the oxidation of Nitric oxide to nitrogen dioxide over a catalyst and then as usual for the oxidation of the in a soot filter passed collected soot.
  • New to the specified procedure is that a portion of the purified exhaust gas thereafter over a Radiator routed and with the intake air of the diesel engine is mixed.
  • the object of the present invention is to be seen in a as a permanently open system operated device for Exhaust gas aftertreatment of combustion engine generated exhaust gas to create that as "on-board" self-regenerating Plant is constantly open and essentially without the otherwise usual filter devices works and thus clogging prevents the exhaust aftertreatment system and simultaneously an effective post-treatment of the evolved exhaust gas achieved, especially with regard to the removal of soot particles from the exhaust-gas engine-generated exhaust gas to be treated.
  • soot particles present in the combustion engine exhaust gases are initially captured temporarily using a FeCr alloy based open-pore metal foam.
  • the soot particles are then oxidized via the so-called gas catalysis according to equations (2) and (3) with the nitrogen dioxide NO 2 sustainably produced by recirculation of nitrogen monoxide on the noble metal-coated metal foam, ie burned: NO 2 + C ⁇ CO + NO 2CO + O 2 ⁇ 2CO 2
  • nitrogen monoxide NO reacts to the noble metal coated metal foam again to nitrogen dioxide NO 2 so that it can be said of a multiple use of nitrogen monoxide in a sense by recirculation, a sustained increase required for the reduction of soot particles and on the precious metal coated metal foam produced nitrogen dioxide NO 2 causes.
  • the metal foam is characterized by high thermal Oxidation resistance, high thermal shock resistance, high corrosion resistance, especially against dilute sulfuric acid, and mechanical strength.
  • the metal foam is made of at least a precious metal the group Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt or a mixture of these Coated precious metals.
  • the metal foam is advantageously coated with a compound which reduces the combustion temperature of the soot particles, it being preferred to use cerium orthovanadate (CeVO 4 ).
  • the coated metal foams also not from the ashes from the Motor oil additives are inhibited, since such ashes the Metal foams can happen and be blown out, leaving the preferred device as a self-regenerating module always open.
  • the inventively used metal foam whose Geometry is almost freely selectable, can with two different methods are produced.
  • a procedure is based on the impregnation of a PU foam precursor with a so-called slurry containing spherical metal particles contains exactly defined particle size distribution, and a subsequent sintering process.
  • it is a conventional investment casting process.
  • a particular advantage of the open-pore used Metal foam in contrast to wall-flow filters consists especially in the disordered cell geometry, within shortest distance a 3D mixing, i. a turbulent mixing, the exhaust gas allows. This will increases the efficiency of the catalyst device and a Clogging prevented.
  • the metal foam is of relative density in the range of 2 to 20%, with the metal foam is electrically conductive.
  • the metal foam is preferably one with equipped with certain number of pores, which are in one area from 3 to 80 pores per inch (pores per (linear) inch) or in the abbreviation (ppi) is located.
  • the precious metal coating on the metal foam becomes preferably directly or by impregnation of a washcoat with a precious metal from the group Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt or a mixture of these precious metals in a concentration from 1.0 g to 2.5 g of precious metal per liter of metal foam applied.
  • a catalyst is an oxidation catalyst that depends on of course, too Hydrocarbons (HC) including the heavy ones Hydrocarbons (SOF) from about 200 ° C and carbon monoxide (CO) from oxidized about 150 ° C.
  • metal foams with a Ce (III) VO 4 (cerium orthovanadate) coating are preferably provided in the device, a catalytically active compound which reduces the combustion temperature of the soot particles, a so-called oxygen storage compound.
  • a catalytically active compound which reduces the combustion temperature of the soot particles, a so-called oxygen storage compound.
  • Such a catalyst reduces the combustion temperature of the soot particles to about 360 ° C in direct contact, so that one speaks of a so-called solid-phase catalysis.
  • the compound reducing the combustion temperature of the soot particles to the metal foam is advantageously cerium orthovanadate by a plasma process, a washcoat process or a sol-gel process in a concentration of 1.0 g to 25 g CeVO 4 Applied per liter of metal foam.
  • the arrangement of the coated or uncoated Metal foams in the catalyst module is almost free selectable.
  • the device should at least made of a precious metal coated metal foam consist.
  • the number of pores of the metal foams in the direction of Exhaust flow variable design preferably increase downstream. Between the individual or all metal foams exists advantageously a distance of 0 to 50 mm.
  • the metal foam can be particularly advantageous cohesively introduced into a metallic housing, and preferably by soldering, since it is in the used metal foam, as already mentioned, to a metallic compound is. This can be done when using a material connection to the insert dispensed toxicologically extremely questionable Pavlmatten which are standard on ceramic filters, for example be used.
  • a particular embodiment of the device according to the invention is that the metal foams with a bearing mat in the metallic module are introduced.
  • a module can be constructed in an advantageous manner be that of several similarly designed modules or variously formed modules composed is.
  • the modules are preferably parallel to the Exhaust gas flow arranged, depending on the requirement for two same or different modules or three same or different modules and the like.
  • FIG. 1 shows a module 1 through which exhaust gas flows.
  • the metal foams 2, 3 alternately one behind the other are arranged.
  • the metal foams are alternating with a noble metal from the group Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt or a mixture of these precious metals coated or uncoated.
  • the coated Metal foams 2 each upstream upstream of the uncoated Metal foams 3 arranged in exhaust gas flow, respectively Temporarily trap soot particles.
  • FIG. 2 shows the module 1, at the only coated with precious metal foams. 2 are arranged, which capture even soot particles temporarily ..
  • FIG. 3 shows the module 1, at the metal foams coated alternately with noble metal 2 and with a combustion temperature of soot particles derating compound coated metal foams 4 are arranged.
  • the respective with noble metal coated metal foams 2 upstream the one with the combustion temperature of soot particles derating compound coated metal foams 4 in Exhaust gas flow attached, each soot particles temporarily catch.
  • the trapped soot is additionally oxidized by direct contact with the superficially applied coating acting as a catalyst.
  • the applied coating consists of an oxygen storage compound, such as cerium orthovanadate Ce (III) VO 4 .
  • FIG. 4 shows another embodiment with a module 5, which consists of two parallel modules 1 ' is constructed according to the embodiment of FIG. 1, at However, the conically tapered inlet area for the Exhaust gas and the tapered exhaust outlet area omitted in such an embodiment flows through the Exhaust respectively the parallel arranged modules 1 'as in Connection with Fig. 1 indicated.
  • the Metal foams 2, 3 alternately with a precious metal from the Group Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt or a mixture of these Precious metals coated or uncoated.
  • the coated metal foams 2 are each upstream before the uncoated metal foams 3 in exhaust gas flow arranged.
  • Another arrangement of the metal foams 2, 3, i. the Insertion of the uncoated metal foams 3 respectively upstream of the coated metal foams 2 in Exhaust gas flow can also be selected as required.
  • modules 1 'in the module 5 are also several modules 1 'in the Module 5 to increase the efficiency in an advantageous Way to accommodate.
  • FIG. 5 shows a cross section through that in FIG. 4 illustrated module 5 along the section line A-B, wherein each one module 1 'arranged parallel to the exhaust gas flow and flows through the exhaust gas.
  • the parallel arrangement and the number of modules 1 'in the Module 5 can almost arbitrarily to the respective engine power be adjusted. It can the required efficiency regarding the removal of soot particles from the combustion engine generated exhaust stream advantageous Be taken into account by the nature of the Precious metal coating or precious metal loading, the geometric surface of the metal foam and the number of coated metal foams.
  • emissions reductions for soot particles be achieved by about 85% to 90% without the required permissible nitrogen dioxide limits exceed.
  • the efficiency for the reduction of Soot particle emission by a thermally induced Regeneration can be increased even further, like this one for example, with a burner or an electric Energy coupling achieved by a resistance heater can be.
  • the thermally induced regeneration can also by Oxidation of late injected into the internal combustion engine Fuel, a so-called post-injection, through which the exhaust gas temperature initially from about 150 to 200 ° C. can be raised to about 400 ° C.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Entfernung von Rußpartikeln aus einem Abgasstrom von Verbrennungsmotoren in einem Modul (1) durch Oxidation der temporär in einer Katalysatoranlage eingefangenen Rußpartikel mit Stickstoffdioxid (NO2) angegeben, wobei das Stickstoffdioxid durch Oxidation des im Abgas vorhandenen Stickstoffmonoxids (NO) an einem Katalysator in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases bei einer Temperatur oberhalb von ca. 200°C entsteht. Dabei ist in dem Modul (1) zumindest ein die Stickstoffdioxid-Konzentration im Abgas für die Oxidation der Rußpartikel erhöhender edelmetallbeschichteter offenporiger Metallschaum (2) angeordnet.
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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entfernung von Rußpartikeln aus einem Abgasstrom von Verbrennungsmotoren in einem Modul (1) durch Oxidation der temporär eingefangenen Rußpartikel mit Stickstoffdioxid (NO2), wobei das Stickstoffdioxid durch Oxidation des im Abgas vorhandenen Stickstoffmonoxids (NO) an einem Katalysator in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases bei einer Temperatur oberhalb von etwa 200°C entsteht.
Zur Absenkung der Rußpartikelemission könnten rein motorseitige Maßnahmen zur Einhaltung der weltweit immer strengeren Emissions-Grenzwerte, wie beispielsweise EURO IV / EURO V oder ULEV / SULEV, für kraftstoffbetriebene Verbrennungsmotoren lediglich mit einem wirtschaftlich nicht vertretbaren Aufwand erzielt werden. Daher kommen heute wie auch zukünftig so genannte Abgasnachbehandlungsanlagen zum Einsatz.
Grundsätzlich wird dabei zwischen zwei Verfahren zur Abgasnachbehandlung unterschieden, die sich einerseits auf die Minimierung der NOx-Emissionen, die hier lediglich am Rande erwähnt seien, wie beispielsweise SCR-Katalysatorsysteme und NOx-Speicherkatälysatoren, und andererseits auf die Minimierung der Rußpartikelemission konzentrieren.
Durch den Einsatz einer geeigneten Abgasnachbehandlungsanlage für Kraftfahrzeuge in Kombination mit motorseitigen Maßnahmen ist es demnach möglich, die strengen Vorschriften hinsichtlich der Rußpartikelemission und der NOx-Emissionen einzuhalten.
So können heute beispielsweise mit klassischen Filteranlagen, wie z. B. keramischen Wall-Flow-Filtern, hinsichtlich der hier interessierenden Rußpartikel bereits Abscheidegrade von >95 % erzielt werden. Durch die Ansammlung von Rußpartikeln und von Asche aus den Motoröladditiven kommt es jedoch bei solchen Anlagen mit der Zeit zu einem unerwünschten Anstieg des Motorgegendruckes, der wiederum zu einem erhöhten Treibstoffverbrauch führt. Aus dem Grund sind derartige Filteranlagen in regelmäßigen Zeitabständen komplett zu demontieren und zu reinigen.
Weiterentwickelte Varianten derartiger Filteranlagen tragen den erwähnten Nachteilen der im Einsatz befindlichen Filteranlagen insofern Rechnung, als solche Anlagen auf der Filteroberfläche eine katalytische Beschichtung aufweisen. Durch eine derartige Beschichtung als Aktivkomponente wird die Verbrennungstemperatur der Rußpartikel merklich herabgesetzt.
Die Herabsetzung der Verbrennungstemperatur der Rußpartikel ist insofern von großer Bedeutung, als die Abgase, die von neu entwickelten Verbrennungsmotoren ausgestoßen werden, immer weniger heiß sind. Bei Filteranlagen ohne katalytische Beschichtung der Filteroberfläche liegt die Verbrennungstemperatur der Rußpartikel bei ca. 580°C bis 600°C. Allerdings bleibt auch bei den Varianten derartiger Filteranlagen noch die besondere Schwierigkeit der Entfernung der gefilterten Asche bestehen.
Einen weiteren Lösungsansatz zur Entfernung des im Filter angesammelten Rußes stellt die thermisch induzierte Regeneration dar. Dabei wird die Filteranlage beispielsweise mit einem Brenner oder elektrisch auf die für die Oxidation der Rußpartikel nötige Temperatur gebracht. Ein solches Verfahren geht selbstverständlich auf Kosten der Gesamtenergiebilanz des Verbrennungsmotors.
Eine andere Möglichkeit zur kontinuierlichen Entfernung der gefilterten Rußpartikel besteht darin, die Partikel durch Eindüsen eines die Verbrennungstemperatur der Rußpartikel herabsetzenden Additives aus dem Filtersubstrat zu entfernen. Ein solcher Lösungsansatz stellt ebenfalls keine besonders geeignete Lösung dar, weil die zugeführten Additive selbst zur Aschebildung beitragen.
Andere Lösungsansätze beschäftigen sich wiederum mit der Oxidation der gefilterten Rußpartikel mit NO2.
Aus der EP 341832 B1 geht ein Verfahren für die Abgasnachbehandlung von schweren Lastkraftwagen hervor. Bei dem Verfahren wird das Abgas zuerst über einen Katalysator ohne Filterwirkung geleitet, um das im Abgas enthaltene Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid zu oxidieren. Das Stickstoffdioxid enthaltende Abgas wird dann zum Abbrand der in einem stromabwärts angeordneten Filter gesammelten Rußpartikel verwendet. Dabei reicht die Stickstoffoxidmenge aus, um die Verbrennung der gefilterten Rußpartikel bei unter 400°C zu ermöglichen.
Weiter ist aus der EP 835684 A2 ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung von Lieferwagen und Personenkraftwagen bekannt. Entsprechend dem angegebenen Verfahren wird das Abgas über zwei hintereinander angeordnete Katalysatoren geleitet. Am ersten Katalysator wird das im Abgas enthaltene Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid oxidiert. Am zweiten stromabwärts angeordneten Katalysator, der als Filter wirkt, werden dann die gesammelten Rußpartikel abgelagert und bei einer Temperatur von ca. 250°C teilweise entsprechend der Gleichung (1) zu Kohlendioxid CO2 oxidiert und das Stickstoffdioxid NO2 zu Stickstoff reduziert: 2NO2 + 2C → 2CO2 + N2
Demnach werden bei dem bekannten Verfahren die gefilterten Rußpartikel ohne die Verwendung eines Brenners oder elektrischen Heizelementes verbrannt, d.h. oxidiert. Dabei besteht der verwendete erste Katalysator aus einem Waben-Durchfluss-Monolithen, der mit einem Oxidationskatalysator beschichtet ist.
Aus der DE 3407172 C2 ist eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung von Dieselmotoren bekannt, die in einem Gehäuse eine Reihe von Filterelementen mit unterschiedlichem Abstand voneinander enthält. Dabei weist zumindest ein Filterelement A eine die Verbrennungstemperatur von Ruß herabsetzende Beschichtung auf. Weiter ist zumindest ein Filterelement B vorhanden, das einen die Verbrennung von schädlichen gasförmigen Substanzen unterstützenden Katalysator enthält.
Aus der WO 99/09307 ist ein Verfahren für die Reduktion der Rußemission von schweren Lastkraftwagen bekannt. Bei dem angegebenen Verfahren wird das Abgas zur Oxidation von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid über einen Katalysator und danach wie üblich zur Oxidation des in einem Rußfilter gesammelten Rußes geleitet. Neu bei dem angegebenen Verfahren ist, dass ein Teil des gereinigten Abgases danach über einen Kühler geleitet und mit der Ansaugluft des Dieselmotors vermischt wird.
Die bekannten Verfahren zur Abgasnachbehandlung von verbrennungsmotorisch erzeugten Abgasen weisen noch den Nachteil auf, dass jeweils Filtervorrichtungen verwendet werden, die trotz aller weiteren vorgesehenen Hilfsmaßnahmen die Gefahr mit sich bringen, irgendwann zu verstopfen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, eine als ständig offenes System betriebene Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung von verbrennungsmotorisch erzeugtem Abgas zu schaffen, die als sich selbst "On-Board" regenerierende Anlage ständig offen ist und im wesentlichen ohne die sonst üblichen Filtervorrichtungen arbeitet und damit ein Verstopfen der Abgasnachbehandlungsanlage verhindert sowie gleichzeitig eine wirkungsvolle Nachbehandlung des hervorgerufenen Abgases erzielt, vor allem hinsichtlich der Entfernung der Rußpartikel aus dem zu behandelnden verbrennungsmotorisch erzeugtem Abgas.
Nach der Erfindung wird die Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Dabei hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass die in den verbrennungsmotorisch erzeugten Abgasen vorhandenen Rußpartikel mit Hilfe eines auf einer FeCr-Legierung basierenden offenporigen Metallschaumes zunächst temporär eingefangen werden. Die Rußpartikel werden dann über die so genannte Gaskatalyse entsprechend den Gleichungen (2) und (3) mit dem am edelmetallbeschichteten Metallschaum durch Rezirkulation von Stickstoffmonoxid nachhaltig erzeugten Stickstoffdioxid NO2 oxidiert, d.h. verbrannt: NO2 + C → CO + NO 2CO + O2 → 2CO2
Das gemäß der Gleichung (2) entstehende Stickstoffmonoxid NO reagiert an dem edelmetallbeschichteten Metallschaum wieder zu Stickstoffdioxid NO2 so dass von einer Mehrfachnutzung des Stickstoffmonoxids gewissermaßen durch Rezirkulation gesprochen werden kann, die eine nachhaltige Steigerung des für die Reduktion von Rußpartikeln erforderlichen und an dem edelmetallbeschichteten Metallschaum erzeugten Stickstoffdioxids NO2 hervorruft.
Der Metallschaum zeichnet sich durch hohe thermische Oxidationsbeständigkeit, hohe Temperaturwechselbeständigkeit, hohe Korrosionsbeständigkeit, insbesondere gegenüber verdünnter Schwefelsäure, und mechanische Festigkeit aus.
Dabei ist der Metallschaum zumindest mit einem Edelmetall aus der Gruppe Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt oder einem Gemisch dieser Edelmetalle beschichtet.
Weiter ist der Metallschaum vorteilhafter Weise mit einer die Verbrennungstemperatur der Rußpartikel herabsetzenden Verbindung beschichtet, wobei vorzugsweise Cer-orthovanadat (CeVO4) verwendet wird.
Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, dass die beschichteten Metallschäume auch nicht von der Asche aus den Motoröladditiven inhibiert werden, da solche Asche die Metallschäume passieren kann und ausgeblasen wird, so dass die bevorzugte Vorrichtung als sich selbst regenerierendes Modul ständig offen bleibt.
Der erfindungsgemäß zum Einsatz kommende Metallschaum, dessen Geometrie nahezu frei wählbar ist, kann mit zwei unterschiedlichen Verfahren hergestellt werden. Ein Verfahren beruht auf der Imprägnierung eines PU-Schaum-Precursors mit einem so genannten Slurry, der sphärische Metallpartikel mit exakt definierter Partikelgrößenverteilung enthält, und einem anschließendem Sinterprozess. Bei dem anderen Verfahren handelt es sich um ein herkömmliches Feingussverfahren.
Ein besonderer Vorteil des verwendeten offenporigen Metallschaumes im Gegensatz zu Wall-Flow-Filtern besteht insbesondere in der ungeordneten Zellgedmetrie, die innerhalb kürzester Wegstrecken eine 3D-Durchmischung, d.h. eine turbulente Durchmischung, des Abgases ermöglicht. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Katalysatorvorrichtung erhöht und ein Verstopfen verhindert.
Vorzugsweise ist der Metallschaum mit einer relativen Dichte im Bereich von 2 bis 20 % ausgebildet, wobei der Metallschaum elektrisch leitend ist.
Weiterhin ist der Metallschaum bevorzugter Weise mit einer gewissen Porenanzahl ausgestattet, die sich in einem Bereich von 3 bis 80 Poren pro inch (pores per (linear) inch) oder in der Abkürzung (ppi) befindet.
Die Edelmetallbeschichtung auf dem Metallschaum wird vorzugsweise direkt oder durch Imprägnierung eines Wash-coats mit einem Edelmetall aus der Gruppe Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt oder einem Gemisch dieser Edelmetalle in einer Konzentration von 1,0 g bis 2,5 g Edelmetall pro Liter Metallschaum aufgebracht. Bei einem so ausgebildeten Katalysator handelt es sich um einen Oxidationskatalysator, der in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit selbstverständlich auch Kohlenwasserstoffe (HC) einschließlich der schweren Kohlenwasserstoffe (SOF) ab ca. 200°C und Kohlenmonoxid (CO) ab ca. 150°C oxidiert.
Weiterhin sind bei der Vorrichtung vorzugsweise Metallschäume mit einer Ce(III)VO4(Cer-orthovanadat)-Beschichtung vorgesehen, einer die Verbrennungstemperatur der Rußpartikel herabsetzenden katalytisch aktiven Verbindung, einer so genannten Sauerstoffspeicherverbindung. Ein solcher Katalysator setzt bei direktem Kontakt die Verbrennungstemperatur der Rußpartikel auf ca. 360°C herab, so dass man von einer so genannten Festphasenkatalyse spricht.
Dabei ist auf den Metallschaum vorteilhafter Weise die für die Verbrennungstemperatur der Rußpartikel herabsetzende Verbindung Cer-orthovanadat mit einem Plasma-Verfahren, einem Wash-coat-Verfahren oder einem Sol-Gel-Verfahren in einer Konzentration von 1,0 g bis 25 g CeVO4 pro Liter Metallschaum aufgebracht.
Die Anordnung der beschichteten bzw. unbeschichteten Metallschäume in dem Katalysatormodul ist dabei nahezu frei wählbar. Vorzugsweise sollte die Vorrichtung jedoch zumindest aus einem mit einem Edelmetall beschichteten Metallschaum bestehen. Durch Variation der Porenanzahl und/oder der relativen Dichte des Metallschaumes gelingt es in vorteilhafter Weise, eine über die Länge des Katalysatormodules kontinuierliche Regeneration des zu behandelnden Abgases zu erzielen.
Dabei ist die Porenanzahl der Metallschäume in Richtung des Abgasstromes variabel gestaltet. Die Porenanzahl der Metallschäume nimmt jedoch vorzugsweise stromabwärts zu. Zwischen den einzelnen oder allen Metallschäumen besteht vorteilhafter Weise ein Abstand von 0 bis 50 mm.
Darüber hinaus kann der Metallschaum besonders vorteilhaft stoffschlüssig in ein metallisches Gehäuse eingebracht werden, und zwar vorzugsweise durch Einlöten, da es sich bei dem verwendeten Metallschaum, wie bereits erwähnt, um eine metallische Verbindung handelt. Dadurch kann bei Verwendung einer stoffschlüssigen Verbindung auf den Einsatz toxikologisch äußerst bedenklicher Quellmatten verzichtet werden, die beispielsweise bei Keramikfiltern standardmäßig verwendet werden.
Eine besondere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass die Metallschäume mit einer Lagermatte in das metallische Modul eingebracht sind.
Weiterhin kann in vorteilhafter Weise ein Modul aufgebaut werden, dass aus mehreren gleichartig ausgebildeten Modulen oder verschiedenartig ausgebildeten Modulen zusammengesetzt ist. Dabei sind die Module bevorzugter Weise parallel zur Abgasströmung angeordnet, und zwar je nach Anforderung zu zwei gleichen oder unterschiedlichen Modulen oder zu drei gleichen oder unterschiedlichen Modulen und dergleichen.
Weitere Vorteile der Erfindung sind nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische Darstellung in verkleinertem Maßstab eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Entfernung von verbrennungsmotorisch erzeugten Rußpartikeln nach der Erfindung;
  • Fig. 2 eine schematische Darstellung in verkleinertem Maßstab eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Entfernung von verbrennungsmotorisch erzeugten Rußpartikeln nach der Erfindung;
  • Fig. 3 eine schematische Darstellung in verkleinertem Maßstab eines anderen Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Entfernung von verbrennungsmotorisch erzeugten Rußpartikeln nach der Erfindung;
  • Fig. 4 eine schematische Darstellung in verkleinertem Maßstab einer Ausführung aus zwei parallel angeordneten Modulen gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 einer Vorrichtung zur Entfernung von verbrennungsmotorisch erzeugten Rußpartikeln nach der Erfindung und
  • Fig. 5 einen Querschnitt in verkleinertem Maßstab entlang dem Schnitt A-B entsprechend der Fig. 4.
    • In Fig. 1 ist ein vom Abgas durchströmtes Modul 1 dargestellt, bei dem Metallschäume 2, 3 abwechselnd hintereinander angeordnet sind. Dabei sind die Metallschäume abwechselnd mit einem Edelmetall aus der Gruppe Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt oder einem Gemisch dieser Edelmetalle beschichtet oder unbeschichtet. Vorteilhafterweise sind die beschichteten Metallschäume 2 jeweils stromaufwärts vor den unbeschichteten Metallschäumen 3 in Abgasströmung angeordnet, die jeweils Rußpartikel temporär einfangen.
    Eine andere Anordnung der Metallschäume 2, 3, d.h. die Einfügung der unbeschichteten Metallschäume 3 jeweils stromaufwärts vor den beschichteten Metallschäumen 2 in Abgasströmung ist je nach Anforderung durchführbar.
    Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 zeigt das Modul 1, bei dem lediglich mit Edelmetall beschichtete Metallschäume 2 angeordnet sind, die selbst Rußpartikel temporär einfangen..
    Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 zeigt das Modul 1, bei dem abwechselnd mit Edelmetall beschichtete Metallschäume 2 und mit einer die Verbrennungstemperatur von Rußpartikeln herabsetzenden Verbindung beschichtete Metallschäume 4 angeordnet sind. Dabei sind vorteilhafter Weise die jeweiligen mit Edelmetall beschichteten Metallschäume 2 stromaufwärts vor den mit einer die Verbrennungstemperatur von Rußpartikeln herabsetzenden Verbindung beschichteten Metallschäume 4 in Abgasströmung angebracht, die jeweils Rußpartikel temporär einfangen.
    Eine andere Anordnung der Metallschäume 2, 4, d.h. die Einfügung der mit einer die Verbrennungstemperatur von Rußpartikeln herabsetzenden Verbindung beschichteten Metallschäume 4 jeweils stromaufwärts vor den edelmetallbeschichteten Metallschäumen 2 in Abgasströmung ist je nach Anforderung auch wählbar.
    Bei der so ausgebildeten Ausführung wird der eingefangene Ruß zusätzlich durch direkten Kontakt mit der oberflächlich aufgebrachten als Katalysator wirkenden Beschichtung oxidiert. Die aufgebrachte Beschichtung besteht dabei aus einer Sauerstoffspeicherverbindung, wie beispielsweise Cer-orthovanadat Ce(III)VO4.
    In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Modul 5 dargestellt, das aus zwei parallel angeordneten Modulen 1' gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 aufgebaut ist, bei dem allerdings der konisch auslaufende Einlassbereich für das Abgas und der konisch zulaufende Auslassbereich für das Abgas entfallen sind.. Bei einer solchen Ausführung durchströmt das Abgas jeweils die parallel angeordneten Module 1' wie im Zusammenhang mit Fig. 1 angegeben. Dabei sind die Metallschäume 2, 3 abwechselnd mit einem Edelmetall aus der Gruppe Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt oder einem Gemisch dieser Edelmetalle beschichtet oder unbeschichtet. Vorteilhafterweise sind die beschichteten Metallschäume 2 jeweils stromaufwärts vor den unbeschichteten Metallschäumen 3 in Abgasströmung angeordnet.
    Eine andere Anordnung der Metallschäume 2, 3, d.h. die Einfügung der unbeschichteten Metallschäume 3 jeweils stromaufwärts vor den beschichteten Metallschäumen 2 in Abgasströmung ist je nach Anforderung ebenfalls wählbar.
    Weiterhin sind nicht lediglich zwei parallel angeordnete Module 1' in dem Modul 5 vorzusehen, sondern entsprechend den gestellten Anforderungen sind auch mehrere Module 1' in dem Modul 5 zur Steigerung des Wirkungsgrades in vorteilhafter Weise unterzubringen.
    Die Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch das in Fig. 4 dargestellte Modul 5 entlang der Schnittlinie A-B, wobei jeweils ein Modul 1' parallel zur Abgasströmung angeordnet und vom Abgas durchströmt wird.
    Die parallele Anordnung und die Anzahl der Module 1' in dem Modul 5 kann nahezu beliebig an die jeweilige Motorleistung angepasst werden. Dabei kann dem erforderlichen Wirkungsgrad hinsichtlich der Entfernung von Rußpartikeln aus dem verbrennungsmotorisch erzeugten Abgasstrom vorteilhaft Rechnung getragen werden, und zwar durch die Art der Edelmetallbeschichtung oder Edelmetallbeladung, die geometrische Oberfläche des Metallschaumes und die Anzahl der beschichteten Metallschäume.
    So konnten beispielsweise Emissionsreduktionen für Rußpartikel von ca. 85 % bis 90 % erzielt werden, ohne dabei die geforderten zulässigen Stickstoffdioxid-Grenzwerte zu überschreiten.
    Darüber hinaus kann der Wirkungsgrad für die Reduktion der Rußpartikelemission durch eine thermisch induzierte Regeneration noch weiter erhöht werden, wie diese beispielsweise mit einem Brenner oder einer elektrischen Energieeinkopplung durch eine Widerstandsheizung erreicht werden kann.
    Die thermisch induzierte Regeneration kann auch durch Oxidation von spät in den Verbrennungsmotor eingespritztem Kraftstoff erfolgen, einer so genannten Nacheinspritzung, durch welche die Abgastemperatur zunächst von ca. 150 bis 200°C auf ca. 400°C angehoben werden kann.
    Zusätzlich gelingt es durch Oxidation von motorisch nachhaltig erzeugten Kohlenwasserstoffen (CH) am edelmetallbeschichteten Metallschaum oder Oxidationskatalysator die Temperatur im Modul um weitere ca. 200°C auf letztendlich die für die Rußpartikelverbrennung erforderliche Temperatur von ca. 600°C zu erhöhen.

    Claims (22)

    1. Vorrichtung zur Entfernung von Rußpartikeln aus einem Abgasstrom von Verbrennungsmotoren in einem Modul (1) durch Oxidation der temporär in einer Katalysatoranlage eingefangenen Rußpartikel mit Stickstoffdioxid (NO2), wobei das Stickstoffdioxid durch Oxidation des im Abgas vorhandenen Stickstoffmonoxids (NO) an einem Katalysator in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases bei einer Temperatur oberhalb von ca. 200°C entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Modul (1) zumindest ein die Stickstoffdioxid-Konzentration im Abgas für die Oxidation der Rußpartikel erhöhender edelmetallbeschichteter offenporiger Metallschaum (2) angeordnet ist.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der edelmetallbeschichtete Metallschaum (2) die Eigenschaft aufweist, das Stickstoffmonoxid (NO) zu rezirkulieren und dadurch mehrfach zu nutzen.
    3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum (2, 3, 4) aus einer FeCr-Legierung für eine hohe thermische Oxidationsbeständigkeit, hohe Temperaturwechselbeständigkeit, hohe Korrosionsbeständigkeit und hohe mechanische Festigkeit besteht.
    4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum (2) zumindest mit einem Edelmetall aus der Gruppe Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt oder einem Gemisch dieser Edelmetalle beschichtet ist.
    5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum (4) mit einer die Verbrennungstemperatur der Rußpartikel herabsetzenden Verbindung beschichtet ist.
    6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum (4) mit der die Verbrennungstemperatur der Rußpartikel herabsetzenden Verbindung aus Cer-orthovanadat (CeVO4) beschichtet ist.
    7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (1) als offenes, sich selbst regenerierendes Modul ausgebildet ist.
    8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum (2, 3, 4) mit einem Pulversinterverfahren oder einem Feingussverfahren hergestellt ist.
    9. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum (2, 3, 4) mit einer eine 3D-Durchströmung hervorrufenden unregelmäßigen Zellgeometrie mit einer Mischerfunktion ausgebildet ist.
    10. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum (2, 3, 4) mit einer relativen Dichte im Bereich von 2 bis 20 % ausgebildet ist.
    11. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum (2, 3, 4) mit einer Porenanzahl in einem Bereich von 3 bis 80 ppi ausgebildet ist.
    12. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum (2, 3, 4) mit einer frei wählbaren Geometrie ausgebildet ist.
    13. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum (2, 3, 4) elektrisch leitend ist.
    14. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaum (2) direkt oder durch Imprägnierung eines Wash-coats mit einem Edelmetall aus der Gruppe Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt oder einem Gemisch dieser Edelmetalle in einer Konzentration von 1,0 g - 2,5 g Edelmetall pro Liter Metallschaum beschichtet ist.
    15. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Metallschaum (4) die für die Verbrennungstemperatur der Rußpartikel herabsetzende Verbindung Cer-orthovanadat mit einem Plasma-Verfahren, einem Wash-coat-Verfahren oder einem Sol-Gel-Verfahren in einer Konzentration von 1,0 g - 25 g CeVO4/Liter Metallschaum aufgebracht ist.
    16. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenanzahl der Metallschäume (2, 3, 4) in Richtung des Abgasstromes variiert gestaltet ist.
    17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Porenanzahl der Metallschäume (2, 3, 4) in Richtung des Abgasstromes zunimmt.
    18. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einzelnen oder allen Metallschäumen (2, 3, 4) ein Abstand von 0-50 mm besteht.
    19. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschäume (2, 3, 4) mit einem Lötprozess stoffschlüssig in das metallische Modul (1) eingebracht sind.
    20. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschäume (2, 3, 4) mit einer Lagermatte in das metallische Modul (1) eingebettet sind.
    21. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Modul (5) aus mehreren gleichartig aufgebauten Modulen (1) oder verschiedenartig aufgebauten Modulen ausgebildet ist.
    22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren gleichartig aufgebauten Module (1) oder verschiedenartig aufgebauten Module in dem Modul (5) parallel zur Abgasströmung angeordnet sind.
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