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EP1734234A2 - Verfahren zum Entfernen von Rußpartikeln aus einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Verfahren zum Entfernen von Rußpartikeln aus einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors Download PDF

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Publication number
EP1734234A2
EP1734234A2 EP06021008A EP06021008A EP1734234A2 EP 1734234 A2 EP1734234 A2 EP 1734234A2 EP 06021008 A EP06021008 A EP 06021008A EP 06021008 A EP06021008 A EP 06021008A EP 1734234 A2 EP1734234 A2 EP 1734234A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
exhaust gas
metal foams
metal
coated
foams
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.)
Withdrawn
Application number
EP06021008A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1734234A3 (de
Inventor
Rolf Miebach
Christian Kolbeck
Walther Pelzer
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
Pankl Emission Control Systems 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
Application filed by Pankl Emission Control Systems GmbH filed Critical Pankl Emission Control Systems GmbH
Publication of EP1734234A2 publication Critical patent/EP1734234A2/de
Publication of EP1734234A3 publication Critical patent/EP1734234A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
    • 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
    • F01N3/02—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for cooling, or for removing solid constituents of, exhaust
    • 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]
    • 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
    • F01N2250/00—Combinations of different methods of purification
    • F01N2250/02—Combinations of different methods of purification filtering and catalytic conversion
    • 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
    • F01N2330/00—Structure of catalyst support or particle filter
    • F01N2330/14—Sintered material
    • 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
    • F01N2330/00—Structure of catalyst support or particle filter
    • 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 method for removing soot particles from an exhaust gas stream of an internal combustion engine in a module by oxidation of the soot particles temporarily trapped in a catalyst system with nitrogen dioxide NO 2 , wherein the nitrogen dioxide by oxidation of existing in the exhaust nitrogen monoxide NO on a catalyst as a function of the flow rate of the exhaust gas is formed at a temperature above about 200 ° C.
  • soot particles already separation levels of> 95% can be achieved.
  • accumulation of soot particles and ash from the engine oil additives will over time lead to an undesirable increase in engine back pressure, which in turn leads to increased fuel consumption. For this reason, such filter systems are to be completely dismantled and cleaned at regular intervals.
  • the lowering of the combustion temperature of the soot particles is of great importance in that the exhaust gases emitted from newly developed internal combustion engines are less and less hot.
  • the combustion temperature of the soot particles is about 580 ° C to 600 ° C.
  • the particular difficulty of removing the filtered ash remains.
  • the filter system is, for example, with a burner or electrically brought to the necessary for the oxidation of the soot particles temperature.
  • a burner or electrically brought to the necessary for the oxidation of the soot particles temperature is at the expense of the overall energy balance of the internal combustion engine.
  • Another possibility for the continuous removal of the filtered soot particles is to remove the particles from the filter substrate by injecting an additive which reduces the combustion temperature of the soot particles. Such an approach is also not a particularly suitable solution, because the added additives themselves contribute to the ash formation.
  • the exhaust gas is first passed through a catalyst without filtering action to oxidize the nitrogen monoxide contained in the exhaust gas to nitrogen dioxide.
  • the nitrogen dioxide-containing exhaust gas is then used to burn off the soot particles collected in a downstream filter.
  • the amount of nitrogen oxide is sufficient to allow the combustion of the filtered soot particles below 400 ° C.
  • the exhaust gas is passed over two catalysts arranged one behind the other.
  • the nitrogen monoxide contained in the exhaust gas is oxidized to nitrogen dioxide.
  • 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 (1)
  • the filtered soot particles are burned without the use of a burner or electric heating element, i. oxidized.
  • the first catalyst used consists of a honeycomb flow monolith coated with an oxidation catalyst.
  • a device for exhaust aftertreatment of diesel engines which contains in a housing a number of filter elements with different distances from each other. At least one filter element A has a coating which reduces the combustion temperature of soot. Furthermore, at least one filter element B is present which contains a catalyst which promotes the combustion of harmful gaseous substances.
  • WO 99/09307 From the WO 99/09307 is a method for the reduction of soot emission from heavy trucks known.
  • the exhaust gas for the oxidation of nitrogen monoxide to nitrogen dioxide is passed over a catalyst and then, as usual, for the oxidation of the soot collected in a soot filter.
  • New in the specified method is that a portion of the purified exhaust gas is then passed through a radiator and mixed with the intake air of the diesel engine.
  • the object of the present invention is to be seen in a method with an operable as a permanently open system device for To provide exhaust aftertreatment of exhaust gas produced by internal combustion engine, which is constantly open as itself "on-board” regenerating system and operates essentially without the usual filter devices and thus prevents clogging of the exhaust aftertreatment system and at the same time achieves effective post-treatment of the evolved exhaust gas, especially with regard to the removal of the soot particles from the exhaust-gas engine 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 (2) 2CO + O 2 ⁇ 2CO 2 (3)
  • nitrogen monoxide NO reacts to the precious metal coated metal foam again to nitrogen dioxide NO 2 , so that can be spoken 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 noble 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 coated at least with a noble metal from the group Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt or a mixture of these noble 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 thovanadate (CeVO 4 ).
  • coated metal foams are also not inhibited by the ash from the motor oil additives, since such ashes can pass through the metal foams and be blown out, so that the preferred device remains constantly open as a self-regenerating module.
  • the metal foam used according to the invention whose geometry can be chosen almost freely, can be produced by two different methods.
  • One method is based on the impregnation of a PU foam precursor with a so-called slurry, which contains spherical metal particles with a precisely defined particle size distribution, and a subsequent sintering process.
  • the other method is a conventional precision casting process.
  • a particular advantage of the open-pore metal foam used, in contrast to wall-flow filters, is in particular the disordered cell geometry, which enables 3D mixing, ie turbulent mixing, of the exhaust gas within very short distances. This will increase the efficiency of the catalyst device increases and prevents clogging.
  • the metal foam is formed with a relative density in the range of 2 to 20%, wherein the metal foam is electrically conductive.
  • the metal foam is preferably provided with a certain number of pores ranging from 3 to 80 pores per inch (pores per linear inch) or in abbreviation (ppi).
  • the noble metal coating on the metal foam is preferably used directly or by impregnating a washcoat with a noble metal from the group Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt or a mixture of these noble metals in a concentration of 1.0 g to 2.5 g Precious metal applied per liter of metal foam.
  • a catalyst formed in this way is an oxidation catalyst which, depending on the flow rate, of course also oxidizes hydrocarbons (HC), including the heavy hydrocarbons (SOF), above about 200 ° C. and carbon monoxide (CO) above about 150 ° C.
  • metal foams with a Ce (III) VO 4 (cerium orthovanadate) coating are preferably provided, 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 metal foam is advantageously the compound which reduces the combustion temperature of the soot particles Cerorthovanadat by a plasma process, a wash-coat process or a sol-gel process in a concentration of 1.0 g to 25 g of CeVO 4 per liter of metal foam applied.
  • the arrangement of the coated or uncoated metal foams in the catalyst module is almost arbitrary.
  • the device should preferably consist at least of a metal foam coated with a noble metal.
  • the number of pores of the metal foams in the direction of the exhaust gas flow is variable. However, the number of pores of the metal foams preferably increases downstream. Between the individual or all metal foams there is advantageously a distance of 0 to 50 mm.
  • the metal foam can be introduced particularly advantageously cohesively into a metallic housing, preferably by soldering, since it is the metal foam used, as already mentioned, is a metallic compound.
  • the metal foam used is a metallic compound.
  • a particular embodiment of the device used according to the invention is that the metal foams are introduced with a bearing mat in the metallic module.
  • a module can be constructed in an advantageous manner, which is composed of a plurality of identically designed modules or modules of different design.
  • the modules are preferably arranged parallel to the exhaust gas flow, depending on the requirements of two identical or different modules or three identical or different modules and the like.
  • a flowed through by the exhaust module 1 is shown, are arranged in the metal foams 2, 3 alternately one behind the other.
  • the metal foams are alternately coated or uncoated with a noble metal from the group Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt or a mixture of these noble metals.
  • the coated metal foams 2 are each arranged upstream of the uncoated metal foams 3 in the exhaust gas flow, which capture each of the soot particles temporarily.
  • Another arrangement of the metal foams 2, 3, i. the insertion of the uncoated metal foams 3 in each case upstream of the coated metal foams 2 in the exhaust gas flow can be carried out as required.
  • FIG. 2 shows the module 1, are arranged in the only coated with precious metal foams 2, which capture even soot particles temporarily.
  • FIG. 3 shows the module 1, in which metal foams coated alternately with precious metal 2 and with a metal foams 4 coated with the combustion temperature of soot particles are arranged.
  • the respective metal foams 2 coated with precious metal are advantageously arranged upstream of the metal foams 4 coated with a compound which reduces the combustion temperature of soot particles, in the exhaust gas flow, which temporarily capture soot particles in each case.
  • Another arrangement of the metal foams 2, 4, ie, the insertion of the metal foams 4 coated with a compound which reduces the combustion temperature of soot particles, upstream of the respective ones noble metal-coated metal foams 2 in exhaust gas flow is also available depending on the requirements.
  • 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 Cerorthovanadat Ce (III) VO. 4
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment with a module 5 which is constructed from two parallel modules 1 'according to the exemplary embodiment according to FIG. 1, in which, however, the conically expiring inlet region for the exhaust gas and the conically tapering outlet region for the exhaust gas have been omitted.
  • the exhaust gas flows through the modules 1 'arranged in parallel, as indicated in connection with FIG. 1.
  • the metal foams 2, 3 are alternately coated or uncoated with a noble metal from the group Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt or a mixture of these noble metals.
  • the coated metal foams 2 are each arranged upstream of the uncoated metal foams 3 in exhaust gas flow.
  • Another arrangement of the metal foams 2, 3, i. the insertion of the uncoated metal foams 3 in each case upstream of the coated metal foams 2 in the exhaust gas flow is also selectable as required.
  • modules 1 'in the module 5 are provided, but according to the requirements are also several modules 1' in the module 5 to increase the efficiency to accommodate advantageously.
  • FIG. 5 shows a cross section through the module 5 shown in FIG. 4 along the section line A-B, wherein in each case a module 1 'is 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 be adapted almost arbitrarily to the respective engine power.
  • the required efficiency with regard to the removal of soot particles from the combustion engine generated exhaust gas flow advantageously be taken into account, by the type of 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 of approx. 85% to 90% could be achieved without exceeding the required permissible nitrogen dioxide limit values.
  • the efficiency for the reduction of the soot particle emission by a thermally induced regeneration can be further increased, as can be achieved for example with a burner or an electrical energy input by a resistance heating.
  • the thermally induced regeneration can also take place by oxidation of late injected into the internal combustion engine fuel, a so-called post-injection, through which the exhaust gas temperature can first be raised from about 150 to 200 ° C to about 400 ° C.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Entfernen 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 gebildet wird. Dabei wird das Abgas durch zumindest zwei eine Stickstoffdioxid-Konzentration im Abgas erhöhende edelmetallbeschichtete offenporige Metallschäume sowie diesen nachgeschaltete offenporige Metallschäume geleitet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von Rußpartikeln aus einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors in einem Modul 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 etwa 200° C gebildet wird.
  • Zur Absenkung der Rußpartikelemission könnten rein motorseitige Massnahmen zur Einhaltung der weltweit immer strengeren EmissionsGrenzwerte, 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-Speicherkatalysatoren, 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 Additivs 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     (1)

  • 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, ein Verfahren mit einer als ständig offenes System betriebbaren 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 mit einem Verfahren gemäß Anspruch 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     (2)

             2CO + O2 → 2CO2     (3)

  • 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 Cerorthovanadat (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 Zellgeometrie, 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 Imprägnieren 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 vorzugsweise Metallschäumen mit einer Ce(III)VO4 (Cerorthovanadat)-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 Cerorthovanadat 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 erfindungsgemäß eingesetzten 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 Cerorthovanadat 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 (9)

  1. Verfahren zum Entfernen von Rußpartikeln aus einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors durch Oxidation von temporär in einer Katalysatoranlage eingefangenen Rußpartikeln 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 200° C gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas durch zumindest zwei eine Stickstoffdioxid-Konzentration im Abgas erhöhende edelmetallbeschichtete offenporige Metallschäume sowie diesen nachgeschaltete offenporige Metallschäume geleitet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschäume aus einer FeCr-Legierung bestehen.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die edelmetallbeschichteten Metallschäume zumindest mit einem Edelmetall aus der Gruppe Ru, Rh, Pd, Os. Ir, Pt oder einem Gemisch dieser Edelmetalle beschichtet sind.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die nachgeschalteten Metallschäume mit einer die Verbrennungstemperatur der Rußpartikel herabsetzenden Verbindung, insbesondere Cerorthovanadat CeVO4 beschichtet sind.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschäume mit einer relativen Dichte im Bereich von 2 bis 20 % ausgebildet sind.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschäume mit einer Porenanzahl in einem Bereich von 3 bis 80 ppi ausgebildet sind.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Porenanzahl der Metallschäume in Richtung des Abgasstromes variiert gestaltet sind.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Porenanzahl der Metallschäume in Richtung des Abgasstromes zunimmt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einzelnen oder allen Metallschäumen ein Abstand von 0 bis 50 mm besteht.
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