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DE102021121000A1 - Ammonia slip catalyst, exhaust aftertreatment device and motor vehicle - Google Patents

Ammonia slip catalyst, exhaust aftertreatment device and motor vehicle Download PDF

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DE102021121000A1
DE102021121000A1 DE102021121000.3A DE102021121000A DE102021121000A1 DE 102021121000 A1 DE102021121000 A1 DE 102021121000A1 DE 102021121000 A DE102021121000 A DE 102021121000A DE 102021121000 A1 DE102021121000 A1 DE 102021121000A1
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DE
Germany
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exhaust gas
ammonia
aftertreatment device
catalytic converter
exhaust
Prior art date
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Pending
Application number
DE102021121000.3A
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German (de)
Inventor
Sebastian Hemminger
Andreas Weisshaar
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.)
Dr Ing HCF Porsche AG
Original Assignee
Dr Ing HCF Porsche AG
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 Dr Ing HCF Porsche AG filed Critical Dr Ing HCF Porsche AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ammoniaksperrkatalysator (2), umfassend ein Substrat, das eine zeolithhaltige Beschichtung aufweist, wobei in der zeolithhaltigen Beschichtung Metalle als aktive Zentren zur Speicherung und Umsetzung von Ammoniak und anderen chemischen Verbindungen eingelagert sind, und wobei das Substrat als Metallkatalysator ausgebildet ist.The invention relates to an ammonia barrier catalyst (2), comprising a substrate which has a zeolite-containing coating, metals being embedded in the zeolite-containing coating as active centers for storing and converting ammonia and other chemical compounds, and the substrate being designed as a metal catalyst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ammoniaksperrkatalysator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Abgasnachbehandlungseinrichtung, die Mittel zur Abgasnachbehandlung aufweist, die einen Ammoniaksperrkatalysator umfassen.The present invention relates to an ammonia blocking catalytic converter according to the preamble of claim 1 and an exhaust gas after-treatment device which has means for exhaust gas after-treatment which comprise an ammonia blocking catalytic converter.

Abgasnachbehandlungseinrichtungen der eingangs genannten Art für die Nachbehandlung der während des Betriebs eines Ottomotors entstehenden Abgase, wobei der Ottomotor stets mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ sehr nahe bei 1 betrieben wird, sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Diese Abgasnachbehandlungseinrichtungen umfassen ein Drei-Wege-Katalysatorsystem mit zumindest einem Drei-Wege-Katalysator, der dazu eingerichtet ist, die während des Verbrennungsprozesses eines Brennstoff-Luft-Gemischs entstehenden Luftschadstoffe Kohlenstoffmonoxid, Stickoxide sowie Kohlenwasserstoffe in einem katalytischen Prozess in Kohlenstoffdioxid, Stickstoff sowie Wasser umzuwandeln. Darüber hinaus weisen die Drei-Wege-Katalysatorsysteme moderner Abgasnachbehandlungseinrichtungen häufig zumindest einen Ottopartikelfilter auf, mittels dessen Rußpartikel, welche im Abgas des Ottomotors enthalten sind, zumindest teilweise gefiltert werden können. Bei einem Magermotor, bei dem es sich um einen Ottomotor handelt, der stets mit einem Luftüberschuss (λ > 1) betrieben wird, ist ein Drei-Wege-Katalysator nicht verwendbar, da ein Magermotor einen hohen Sauerstoffüberschuss im Abgas aufweist, so dass mittels eines Drei-Wege-Katalysators keine Entstickung möglich ist.Exhaust gas aftertreatment devices of the type mentioned above for the aftertreatment of the exhaust gases produced during the operation of a spark-ignition engine, in which the spark-ignition engine is always operated with a combustion air ratio λ very close to 1, are known from the prior art in various embodiments. These exhaust gas aftertreatment devices include a three-way catalytic converter system with at least one three-way catalytic converter that is set up to convert the air pollutants carbon monoxide, nitrogen oxides and hydrocarbons produced during the combustion process of a fuel-air mixture into carbon dioxide, nitrogen and water in a catalytic process to convert In addition, the three-way catalytic converter systems of modern exhaust gas aftertreatment devices often have at least one Otto particle filter, by means of which soot particles contained in the exhaust gas of the Otto engine can be at least partially filtered. In a lean-burn engine, which is a gasoline engine that is always operated with excess air (λ> 1), a three-way catalytic converter cannot be used because a lean-burn engine has a high excess of oxygen in the exhaust gas, so that by means of a Three-way catalytic converter no denitrification is possible.

Während des Betriebs des Ottomotors kommt es auch zu Emissionen von NH3 (Ammoniak). Diese NH3-Emissionen werden dabei weitestgehend vom Drei-Wege-Katalysator erzeugt. Die Entstehung der NH3-Emissionen im Drei-Wege-Katalysator kann hierbei in zwei wesentliche Pfade unterteilt werden:

  1. a) während der Kaltstartphase des Ottomotors beim Durchlaufen der so genannten „Light-Off“-Temperatur des Drei-Wege-Katalysators,
  2. b) während des Betriebs des Drei-Wege-Katalysators bei einer Betriebstemperatur >350° C durch Gemischabweichungen (unterstöchiometrisch, λ <1) einer Gemischvorsteuerung des Ottomotors und der Lambdaregelung.
NH 3 (ammonia) emissions also occur during the operation of the Otto engine. These NH 3 emissions are largely generated by the three-way catalytic converter. The development of the NH 3 emissions in the three-way catalytic converter can be divided into two main paths:
  1. a) during the cold start phase of the gasoline engine when passing through the so-called “light-off” temperature of the three-way catalytic converter,
  2. b) during operation of the three-way catalytic converter at an operating temperature >350° C due to mixture deviations (sub-stoichiometric, λ <1) of a mixture pre-control of the gasoline engine and the lambda control.

Um Ammoniak zwischenspeichern zu können, ist es möglich, die Abgasnachbehandlungseinrichtung mit einem Ammoniaksperrkatalysator (kurz: ASC) auszustatten, der stromabwärts hinter dem Drei-Wege-Katalysator angeordnet ist. Ein derartiger Ammoniaksperrkatalysator zeichnet sich durch eine zeolithhaltige Beschichtung auf einem Keramiksubstrat aus, die dazu in der Lage ist, die während des Betriebs des Ottomotors auftretenden NH3 Emissionen zwischenzuspeichern. Die Speicherfähigkeit eines Ammoniaksperrkatalysators nimmt dabei insbesondere im gealterten Zustand über der Bauteiltemperatur stark ab. Bei Temperaturen > 300° C ist die Speicherfunktion nahezu nicht mehr nutzbar. Die Alterung des Zeoliths ist ebenfalls stark temperaturabhängig, wobei eine Bauteiltemperatur von 800° C dabei die zulässige Obergrenze darstellt, was insbesondere in einem Ottomotor aufgrund der hohen Abgastemperaturen nur schwer realisierbar ist.In order to be able to temporarily store ammonia, it is possible to equip the exhaust aftertreatment device with an ammonia blocking catalytic converter (ASC for short), which is arranged downstream of the three-way catalytic converter. Such an ammonia blocking catalytic converter is distinguished by a zeolite-containing coating on a ceramic substrate, which is capable of temporarily storing the NH 3 emissions occurring during operation of the Otto engine. The storage capacity of an ammonia blocking catalytic converter decreases significantly above the component temperature, especially in the aged state. At temperatures > 300° C, the memory function is almost no longer usable. The aging of the zeolite is also strongly temperature-dependent, with a component temperature of 800° C representing the permissible upper limit, which is difficult to achieve, especially in a gasoline engine due to the high exhaust gas temperatures.

Während des Betriebs und hinsichtlich der Wirkungsweise des Ammoniaksperrkatalysators sind ebenfalls zwei Fälle zu unterscheiden.Two cases must also be distinguished during operation and with regard to the mode of action of the ammonia blocking catalytic converter.

Fall 1 (T< ca. 300° C, Speicherfunktion aktiv):

  • Im Falle einer noch aktiven Speicherfunktion des Ammoniaksperrkatalysators können die anfallenden NH3-Emissionen (insbesondere aus der Kaltstartphase des Ottomotors) im Zeolith des Ammoniaksperrkatalysators zwischengespeichert werden. Eine Umsetzung (Oxidation) des NH3 in harmloses N2 findet dabei zeitlich entprellt zu einem späteren Betriebszeitpunkt statt. Die Oxidation des gespeicherten NH3 erfolgt dabei durch das im Motorbetrieb auftretende Stickstoffmonoxid (NO) und Sauerstoff (O2). Die chemische Reaktion über NO ist vorteilhaft und daher zu bevorzugen, da hierbei weniger Lachgas (N2O) als unerwünschtes Nebenprodukt entsteht als bei der Reaktion mit Sauerstoff. Stickstoffmonoxid (NO) und Sauerstoff (O2) treten bei einem Ottomotor nur dann auf, wenn es zu einem (kurzfristigen) überstöchiometrischen Betrieb (λ > 1) des Katalysators kommt, wobei Sauerstoff alleine nur in Schubabschaltphasen entsteht. NO selbst gelangt dabei immer nur in geringen, limitierten Mengen in den Ammoniaksperrkatalysator. Wenn ausschließlich Sauerstoff als Oxidationsmittel vorhanden ist, kommt es neben der Lachgasbildung noch zu einem Anstieg von Stickstoffmonoxid (NO). Bei Erreichen einer Bauteiltemperatur von etwa 300° C im Ammoniaksperrkatalysator nimmt nicht nur dessen Speicherfähigkeit ab, sondern auch die Neigung der Reaktion mit Sauerstoff zu, was zu einer erhöhten, unerwünschten Lachgasbildung beziehungsweise der Bildung von NO führt.
Case 1 (T< approx. 300° C, memory function active):
  • If the storage function of the ammonia slip catalyst is still active, the NH 3 emissions occurring (in particular from the cold start phase of the gasoline engine) can be temporarily stored in the zeolite of the ammonia slip catalyst. A conversion (oxidation) of the NH 3 into harmless N 2 takes place debounced in time at a later operating time. The stored NH 3 is oxidized by the nitrogen monoxide (NO) and oxygen (O 2 ) that occur during engine operation. The chemical reaction via NO is advantageous and therefore preferable, since less nitrous oxide (N 2 O) is produced as an undesirable by-product than in the reaction with oxygen. Nitrogen monoxide (NO) and oxygen (O 2 ) only occur in a gasoline engine when the catalytic converter is (briefly) over-stoichiometric (λ > 1), with oxygen alone only being produced in overrun cut-off phases. NO itself ever gets into the ammonia slip catalyst only in small, limited amounts. If only oxygen is present as an oxidizing agent, there is an increase in nitrogen monoxide (NO) in addition to the formation of nitrous oxide. When a component temperature of around 300°C is reached in the ammonia slip catalyst, not only does its storage capacity decrease, but also the tendency to react with oxygen increases, which leads to increased, undesirable nitrous oxide formation or the formation of NO.

Fall 2 (T> ca. 300° C, Speicherfunktion inaktiv):

  • Bei Ottomotoren treten die Reaktanten NH3, NO und O2 in der Regel nie zeitgleich auf. Bei höheren Temperaturen und damit im Falle einer inaktiven bzw. nur noch begrenzt verfügbaren Speicherfunktion gewinnt die instantane Umwandlung des angebotenen Ammoniaks im Ammoniaksperrkatalysator an Bedeutung. Eine Einspeicherung (Zwischenspeicherung) und erst ein späterer Umsatz sind dann nicht mehr möglich. Mangels simultan nicht verfügbarem Oxidationsmittel (NO oder O2) ist die Wirksamkeit des Ammoniaksperrkatalysators in diesem Temperaturbereich sehr stark eingeschränkt.
Case 2 (T> approx. 300° C, memory function inactive):
  • In Otto engines, the reactants NH 3 , NO and O 2 generally never occur at the same time. At higher temperatures and thus in the case of an inactive or only limited memory cher function, the instantaneous conversion of the available ammonia in the ammonia slip catalyst gains in importance. A storage (intermediate storage) and only a later turnover are then no longer possible. In the absence of simultaneously unavailable oxidizing agent (NO or O 2 ), the effectiveness of the ammonia slip catalyst is very limited in this temperature range.

Beispielsweise kann Ammoniak, welches im Fahrbetrieb aufgrund fetter Gemischabweichungen (unterstöchiometrisch, λ <1) im Drei-Wege-Katalysator gebildet wird, somit nicht mehr umgewandelt werden. Eine mögliche Abhilfe stellt dabei die Einleitung von Zusatzluft vor dem Ammoniaksperrkatalysator dar. Hierdurch kann ein bewusster, dauerhafter Sauerstoffüberschuss im Ammoniaksperrkatalysator erzeugt werden, so dass das zuvor im Drei-Wege-Katalysator gebildete NH3 dann weiterhin im Ammoniaksperrkatalysator nachbehandelt und umgesetzt werden kann. Die zuvor beschriebenen Nachteile der Oxidation mit Sauerstoff sowie die erhöhte Bildung von NO und N2O kommen bei diesem Betrieb jedoch voll zum Tragen und werden daher einen solchen Einsatz ihrerseits stark limitieren.For example, ammonia that is formed in the three-way catalytic converter when driving due to rich mixture deviations (sub-stoichiometric, λ <1) can no longer be converted. A possible remedy here is the introduction of additional air upstream of the ammonia blocking catalytic converter. This can produce a deliberate, permanent excess of oxygen in the ammonia blocking catalytic converter, so that the NH 3 previously formed in the three-way catalytic converter can then continue to be post-treated and converted in the ammonia blocking catalytic converter. However, the previously described disadvantages of oxidation with oxygen and the increased formation of NO and N 2 O come into play in this operation and will therefore in turn severely limit such use.

Bei einem Dieselmotor oder einem Magermotor kann ein Drei-Wege-Katalysator zur Abgasnachbehandlung nicht eingesetzt werden. Eine Verringerung von Stickoxiden (NOx) kann bei diesen Motoren zum Beispiel durch eine selektive katalytische Reaktion (SCR) erfolgen. Bei diesem Prozess wird dem Abgas zum Beispiel Ammoniak oder Harnstoff als Reduktionsmittel zugesetzt, bevor das Abgas in einen Katalysator gelangt und das NOx in N2 und Wasser umgewandelt wird. Hierbei kann es vorkommen, dass ein Ammoniaküberschuss vorhanden ist, der nicht in die Umwelt gelangen sollte und darüber hinaus auch Teile des Abgassystems des Kraftfahrzeugs beschädigen könnte. Daher werden in Abgasnachbehandlungseinrichtungen von Dieselmotoren oder Magermotoren ebenfalls Ammoniaksperrkatalysatoren verwendet, die in Strömungsrichtung der Abgase hinter dem SCR-Katalysator angeordnet sind. Mittels der Ammoniaksperrkatalysatoren ist es möglich, Ammoniak durch eine Umwandlung in Stickstoff aus dem Abgas zu entfernen.A three-way catalytic converter cannot be used for exhaust gas aftertreatment in a diesel engine or a lean-burn engine. In these engines, nitrogen oxides (NOx) can be reduced, for example, by means of a selective catalytic reaction (SCR). In this process, ammonia or urea, for example, is added to the exhaust gas as a reducing agent before the exhaust gas enters a catalytic converter and the NOx is converted into N 2 and water. It can happen that there is an excess of ammonia that should not get into the environment and could also damage parts of the exhaust system of the motor vehicle. For this reason, exhaust gas aftertreatment devices of diesel engines or lean-burn engines also use ammonia barrier catalysts, which are arranged downstream of the SCR catalyst in the direction of flow of the exhaust gases. Using the ammonia slip catalysts, it is possible to remove ammonia from the exhaust gas by converting it into nitrogen.

Aus der US 9,453,443 B2 ist eine Abgasnachbehandlungseinrichtung für einen Dieselmotor oder einen Magermotor bekannt, die einen Ammoniaksperrkatalysator sowie einen in Strömungsrichtung der Abgase vor diesem angeordneten NOx-Speicherkatalysator aufweist.From the U.S. 9,453,443 B2 an exhaust gas aftertreatment device for a diesel engine or a lean-burn engine is known, which has an ammonia blocking catalytic converter and an NO x storage catalytic converter arranged in front of it in the direction of flow of the exhaust gases.

Ammoniaksperrkatalysatoren nutzen wie auch Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) eine zeolithhaltige Beschichtung auf einem keramischen Substrat, wobei in der zeolithhaltigen Beschichtung Metalle, wie zum Beispiel Kupfer oder Eisen, als aktive Zentren zur Speicherung und Umsetzung von Ammoniak und anderen chemischen Verbindungen eingelagert sind. Die Struktur und Speicherfähigkeit des Zeoliths wird maßgeblich durch dessen Alterungszustand bestimmt. Es zeigt sich, dass die zeolithhaltigen Beschichtungen von Ammoniaksperrkatalysatoren eine große Sensitivität in Bezug auf thermische Alterungsprozesse aufweisen. Maximaltemperaturen von > ca. 800° C sollten daher im Hinblick auf die resultierende thermische Alterung möglichst vermieden werden. Diese Temperaturobergrenze stellt insbesondere die Integration von Ammoniaksperrkatalysatoren in Fahrzeugen mit Ottomotoren aufgrund der höheren Abgastemperaturen im Vergleich zu Dieselmotoren vor große Herausforderungen. Ferner würde auch ein möglichst breites Betriebsfenster bei geringeren Temperaturen (< ca. 300° C) helfen, die Wirksamkeit eines Ammoniaksperrkatalysators zu verbessern.Ammonia slip catalysts, like catalysts for selective catalytic reduction (SCR), use a zeolite-containing coating on a ceramic substrate, with metals such as copper or iron being embedded in the zeolite-containing coating as active centers for storing and converting ammonia and other chemical compounds. The structure and storage capacity of the zeolite is largely determined by its aging condition. It has been shown that the zeolite-containing coatings of ammonia slip catalysts are highly sensitive to thermal aging processes. Maximum temperatures of > approx. 800° C should therefore be avoided as far as possible with regard to the resulting thermal aging. This upper temperature limit poses major challenges, in particular for the integration of ammonia slip catalysts in vehicles with petrol engines due to the higher exhaust gas temperatures compared to diesel engines. Furthermore, an operating window that is as wide as possible at lower temperatures (<approx. 300° C.) would also help to improve the effectiveness of an ammonia blocking catalyst.

Die Erfindung macht es sich daher zur Aufgabe, einen Ammoniaksperrkatalysator und eine Abgasnachbehandlungseinrichtung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, bei denen thermische Alterungsprozesse des Ammoniaksperrkatalysators bei hohen Abgastemperaturen, wie sie insbesondere bei Ottomotoren auftreten, wirksam verringert werden können und das Betriebsfenster des Ammoniaksperrkatalysators bei geringeren Betriebstemperaturen vergrößert werden kann.The invention therefore sets itself the task of providing an ammonia blocking catalyst and an exhaust gas aftertreatment device of the type mentioned at the outset, in which thermal aging processes of the ammonia blocking catalyst at high exhaust gas temperatures, as occur in particular in gasoline engines, can be effectively reduced and the operating window of the ammonia blocking catalyst at lower operating temperatures can be increased.

Die Lösung dieser Aufgabe liefern ein gattungsgemäßer Ammoniaksperrkatalysator mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 und eine gattungsgemäße Abgasnachbehandlungseinrichtung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 2. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.This problem is solved by a generic ammonia barrier catalyst with the features of the characterizing part of claim 1 and a generic exhaust gas aftertreatment device with the features of the characterizing part of claim 2. The dependent claims relate to advantageous developments of the invention.

Ein erfindungsgemäßer Ammoniaksperrkatalysator zeichnet sich dadurch aus, dass das Substrat als Metallkatalysator ausgebildet ist, und eine erfindungsmäße Abgasnachbehandlungseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Ammoniaksperrkatalysator nach Anspruch 1 ausgeführt ist. Um die Einschränkungen hinsichtlich der Alterung des Ammoniaksperrkatalysators bei hohen Bauteiltemperaturen, wie sie insbesondere bei der Abgasnachbehandlung eines Ottomotors auftreten, zu umgehen, muss sowohl das Aufheizen des Ammoniaksperrkatalysators so langsam wie möglich stattfinden als auch die maximale Bauteiltemperatur abgesenkt werden. Um dieses zu erreichen, ist die zeolithhaltige Beschichtung des Ammoniaksperrkatalysators nicht - wie im Stand der Technik üblich - auf einem keramischen Substrat, sondern auf einem Metallkatalysator aufgebracht. Ein derartiger Metallkatalysator zeichnet sich - insbesondere bei entsprechender konstruktiver Auslegung - durch eine sehr hohe thermische Wärmekapazität sowie hohe radiale und axiale Wärmeverluste durch die hohe Wärmeleitfähigkeit der Metallstruktur aus. Hierdurch kann der Ammoniaksperrkatalysator durch einen bewusst eingesetzten Wärmeverlust länger kälter gehalten werden und die maximale Temperatur des Ammoniaksperrkatalysators auf einfache Weise wirksam begrenzt werden.An ammonia barrier catalyst according to the invention is characterized in that the substrate is designed as a metal catalyst, and an exhaust gas aftertreatment device according to the invention is characterized in that the ammonia barrier catalyst is designed according to claim 1 . In order to circumvent the limitations regarding the aging of the ammonia blocking catalytic converter at high component temperatures, which occur in particular in the exhaust aftertreatment of a gasoline engine, the ammonia blocking catalytic converter must be heated up as slowly as possible and the maximum component temperature must be lowered. In order to achieve this, the zeolite-containing coating of the ammonia barrier catalyst is not - as is customary in the prior art - on a ceramic substrate, but on applied to a metal catalyst. A metal catalyst of this type is distinguished--particularly with an appropriate structural design--by a very high thermal heat capacity and high radial and axial heat losses due to the high thermal conductivity of the metal structure. As a result, the ammonia blocking catalytic converter can be kept colder for a longer period of time through deliberate use of heat loss, and the maximum temperature of the ammonia blocking catalytic converter can be effectively limited in a simple manner.

In einer vorteilhaften Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung eine Abgasentwärmungseinrichtung umfasst, die stromaufwärts vor dem Ammoniaksperrkatalysator angeordnet ist. Diese Abgasentwärmungseinrichtung ermöglicht in vorteilhafter Weise eine zusätzliche Entwärmung der heißen Abgase.In an advantageous development, it is proposed that the exhaust gas after-treatment device includes an exhaust gas cooling device which is arranged upstream of the ammonia blocking catalytic converter. This exhaust gas cooling device advantageously enables additional cooling of the hot exhaust gases.

Konventionelle Wärmeübertragerkonzepte können unter Umständen zu erhöhten zusätzlichen Druckverlusten führen, die unerwünscht sind. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird daher vorgeschlagen, dass die Abgasentwärmungseinrichtung eine Anzahl von Gyroidstrukturen aufweist. Vorzugsweise werden speziell strömungsoptimierte und insbesondere mittels additiver Fertigung gefertigte Gyroidstrukturen verwendet, mittels derer einerseits eine gute Wärmeübertragung realisiert werden kann und andererseits auch der zusätzliche Druckverlust zumindest verringert beziehungsweise möglichst ganz vermieden werden kann. Eine zusätzliche Entwärmung durch einen hieraus resultierenden Wärmeverlust kann somit in der Abgasnachbehandlungseinrichtung zusätzlich realisiert werden, so dass dadurch auch der Arbeitsbereich des Ammoniaksperrkatalysators weiter optimiert werden kann.Under certain circumstances, conventional heat exchanger concepts can lead to increased additional pressure losses, which are undesirable. In a particularly advantageous embodiment, it is therefore proposed that the exhaust gas cooling device has a number of gyroid structures. Preferably, gyroid structures that are specially flow-optimized and in particular produced by means of additive manufacturing are used, by means of which good heat transfer can be achieved on the one hand and on the other hand the additional pressure loss can at least be reduced or avoided entirely if possible. An additional heat dissipation due to a resulting heat loss can thus also be implemented in the exhaust gas aftertreatment device, so that the operating range of the ammonia blocking catalytic converter can also be further optimized as a result.

Vorzugsweise kann die Abgasnachbehandlungseinrichtung zumindest einen Drei-Wege-Katalysator aufweisen, der stromaufwärts vor der Abgasentwärmungseinrichtung angeordnet ist.Preferably, the exhaust gas after-treatment device can have at least one three-way catalytic converter, which is arranged upstream of the exhaust gas heating device.

In einer weiteren Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung zumindest einen Partikelfilter aufweist, der stromaufwärts vor der Abgasentwärmungseinrichtung angeordnet ist. Dadurch ist es möglich, die in den Abgasen enthaltenen Rußpartikel zu filtern.In a further embodiment, there is the possibility that the exhaust gas aftertreatment device has at least one particle filter, which is arranged upstream of the exhaust gas cooling device. This makes it possible to filter the soot particles contained in the exhaust gases.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Ottomotor und eine Abgasnachbehandlungseinrichtung, die an den Ottomotor angeschlossen ist. Erfindungsgemäß zeichnet sich das Kraftfahrzeug dadurch aus, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6 ausgeführt ist und dass der Ottomotor für einen Betrieb mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ sehr nahe bei 1 ausgelegt ist.According to a further aspect, the present invention relates to a motor vehicle, comprising a spark-ignition engine and an exhaust gas after-treatment device which is connected to the spark-ignition engine. According to the invention, the motor vehicle is characterized in that the exhaust gas aftertreatment device is designed according to one of claims 2 to 6 and that the Otto engine is designed for operation with a combustion air ratio λ very close to 1.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegende 1, die eine schematisch stark vereinfachte Darstellung eines Teils einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 einer Brennkraftmaschine zeigt.Further features and advantages of the present invention become clear from the following description of preferred exemplary embodiments with reference to the enclosed 1 , which shows a highly simplified representation of part of an exhaust gas aftertreatment device 1 of an internal combustion engine.

Vorzugsweis handelt es sich bei der Brennkraftmaschine um einen Ottomotor, der stets mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ sehr nahe bei 1 betrieben wird. Während des Betriebs des Ottomotors können sehr hohe Abgastemperaturen auftreten, die typischerweise etwa 800° C betragen können. Wenn die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 für die Nachbehandlung von Abgasen eines derartigen Ottomotors ausgebildet ist, weist die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 in an sich bekannter Weise einen hier nicht explizit gezeigten Drei-Wege-Katalysator auf, der dazu eingerichtet ist, die während des Verbrennungsprozesses eines Brennstoff-Luft-Gemischs entstehenden Luftschadstoffe Kohlenstoffmonoxid, Stickoxide sowie Kohlenwasserstoffe in einem katalytischen Prozess in Kohlenstoffdioxid, Stickstoff sowie Wasser umzuwandeln. Darüber hinaus weist die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 vorzugsweise einen hier ebenfalls nicht explizit dargestellten Ottopartikelfilter auf, mittels dessen Rußpartikel, welche im Abgas des Ottomotors enthalten sind, zumindest teilweise gefiltert werden können.The internal combustion engine is preferably an Otto engine, which is always operated with a combustion air ratio λ very close to 1. Very high exhaust gas temperatures, typically around 800° C., can occur during the operation of the Otto engine. If the exhaust gas after-treatment device 1 is designed for the after-treatment of exhaust gases from such an Otto engine, the exhaust gas after-treatment device 1 has, in a manner known per se, a three-way catalytic converter which is not explicitly shown here and which is set up to Mixture to convert the resulting air pollutants carbon monoxide, nitrogen oxides and hydrocarbons in a catalytic process into carbon dioxide, nitrogen and water. In addition, the exhaust gas aftertreatment device 1 preferably has a gasoline particle filter, which is also not explicitly shown here, by means of which soot particles contained in the exhaust gas of the gasoline engine can be at least partially filtered.

Ferner weist die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 einen Ammoniaksperrkatalysator 2 auf, der in einer Abgasleitung 3 untergebracht ist. Dieser Ammoniaksperrkatalysator 2 umfasst ein Substrat, das eine zeolithhaltige Beschichtung aufweist, wobei in der zeolithhaltigen Beschichtung Metalle, insbesondere Kupfer oder Eisen, als aktive Zentren zur Speicherung und Umsetzung von Ammoniak und anderen chemischen Verbindungen eingelagert sind. Um die Einschränkungen hinsichtlich der Alterung des Ammoniaksperrkatalysators 2 bei hohen Bauteiltemperaturen, wie sie insbesondere in der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 eines Ottomotors auftreten, zu umgehen, muss sowohl das Aufheizen des Ammoniaksperrkatalysators 2 so langsam wie möglich stattfinden als auch die maximale Bauteiltemperatur abgesenkt werden. Um dieses zu erreichen, ist die zeolithhaltige Beschichtung nicht - wie im Stand der Technik üblich - auf einem keramischen Substrat, sondern auf einem Metallkatalysator aufgebracht. Ein derartiger Metallkatalysator zeichnet sich - insbesondere bei entsprechender konstruktiver Auslegung - durch eine sehr hohe thermische Wärmekapazität sowie durch hohe radiale und axiale Wärmeverluste aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit der Metallstruktur aus. Hierdurch kann der Ammoniaksperrkatalysator 2 durch den bewusst eingesetzten Wärmeverlust Q2 länger kälter gehalten und die maximale Temperatur dieses Bauteils auf einfache Weise wirksam begrenzt werden.Furthermore, the exhaust gas aftertreatment device 1 has an ammonia blocking catalytic converter 2 which is accommodated in an exhaust gas line 3 . This ammonia blocking catalytic converter 2 comprises a substrate which has a zeolite-containing coating, with metals, in particular copper or iron, being embedded in the zeolite-containing coating as active centers for storing and converting ammonia and other chemical compounds. In order to circumvent the limitations with regard to aging of the ammonia blocking catalytic converter 2 at high component temperatures, as they occur in particular in the exhaust gas aftertreatment device 1 of a gasoline engine, the ammonia blocking catalytic converter 2 must be heated up as slowly as possible and the maximum component temperature must be lowered. In order to achieve this, the zeolite-containing coating is not applied to a ceramic substrate, as is usual in the prior art, but to a metal catalyst. A metal catalytic converter of this type is distinguished--particularly with an appropriate structural design--by a very high thermal heat capacity and by high radial and axial heat losses due to the high thermal conductivity strength of the metal structure. As a result, the ammonia blocking catalytic converter 2 can be kept colder for longer due to the intentionally used heat loss Q2 and the maximum temperature of this component can be effectively limited in a simple manner.

Zusätzlich weist die Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 in diesem Ausführungsbeispiel eine Abgasentwärmungseinrichtung 4 auf, die in der Abgasleitung 3 stromaufwärts des Ammoniaksperrkatalysators 2 - also in Strömungsrichtung der heißen Abgase vor dem Ammoniaksperrkatalysator 2 - angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, die heißen Abgase zusätzlich zu entwärmen. Konventionelle Wärmeübertragerkonzepte können unter Umständen zu erhöhten zusätzlichen Druckverlusten neigen, die unerwünscht sind. Vorzugsweise weist die Abgasentwärmungseinrichtung 4 daher speziell strömungsoptimierte und insbesondere mittels additiver Fertigung gefertigte Gyroidstrukturen auf, mittels derer einerseits eine gute Wärmeübertragung realisiert werden kann und andererseits der zusätzliche (unerwünschte) Druckverlust zumindest verringert beziehungsweise möglichst ganz vermieden werden kann. Eine zusätzliche Entwärmung durch einen Wärmeverlust Q1 kann somit mittels der Abgasentwärmungseinrichtung 4 in der Abgasnachbehandlungseinrichtung 1 zusätzlich realisiert werden, so dass dadurch auch der Arbeitsbereich des Ammoniaksperrkatalysators 2 optimiert werden kann.In addition, the exhaust gas aftertreatment device 1 in this exemplary embodiment has an exhaust gas cooling device 4, which is arranged in the exhaust pipe 3 upstream of the ammonia blocking catalytic converter 2 - i.e. upstream of the ammonia blocking catalytic converter 2 in the direction of flow of the hot exhaust gases - and is designed to additionally cool the hot exhaust gases. Under certain circumstances, conventional heat exchanger concepts can tend to increased additional pressure losses, which are undesirable. Preferably, the exhaust gas cooling device 4 therefore has gyroid structures that are specially flow-optimized and, in particular, produced by means of additive manufacturing, by means of which good heat transfer can be achieved on the one hand and on the other hand the additional (undesirable) pressure loss can be at least reduced or, if possible, avoided entirely. An additional heat dissipation through a heat loss Q1 can thus also be implemented by means of the exhaust gas heat dissipation device 4 in the exhaust gas aftertreatment device 1, so that the operating range of the ammonia blocking catalytic converter 2 can thereby also be optimized.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • US 9453443 B2 [0010]US9453443B2 [0010]

Claims (7)

Ammoniaksperrkatalysator (2), umfassend ein Substrat, das eine zeolithhaltige Beschichtung aufweist, wobei in der zeolithhaltigen Beschichtung Metalle als aktive Zentren zur Speicherung und Umsetzung von Ammoniak und anderen chemischen Verbindungen eingelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat als Metallkatalysator ausgebildet ist.Ammonia barrier catalyst (2) comprising a substrate which has a zeolite-containing coating, metals being embedded in the zeolite-containing coating as active centers for storing and converting ammonia and other chemical compounds, characterized in that the substrate is designed as a metal catalyst. Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) einer Brennkraftmaschine, umfassend Mittel zur Abgasnachbehandlung, die einen Ammoniaksperrkatalysator (2) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der Ammoniaksperrkatalysator (2) nach Anspruch 1 ausgeführt ist.Exhaust gas aftertreatment device (1) of an internal combustion engine, comprising means for exhaust gas aftertreatment which have an ammonia blocking catalyst (2), characterized in that the ammonia blocking catalyst (2) after claim 1 is executed. Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) eine Abgasentwärmungseinrichtung (4) umfasst, die stromaufwärts vor dem Ammoniaksperrkatalysator (2) angeordnet ist.Exhaust aftertreatment device (1). claim 2 , characterized in that the exhaust gas treatment device (1) comprises an exhaust gas cooling device (4) which is arranged upstream of the ammonia blocking catalytic converter (2). Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasentwärmungseinrichtung (4) eine Anzahl von Gyroidstrukturen aufweist.Exhaust aftertreatment device (1). claim 3 , characterized in that the exhaust gas cooling device (4) has a number of gyroid structures. Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) zumindest einen Drei-Wege-Katalysator aufweist, der stromaufwärts vor der Abgasentwärmungseinrichtung (4) angeordnet ist.Exhaust aftertreatment device (1) according to one of claims 2 until 4 , characterized in that the exhaust gas aftertreatment device (1) has at least one three-way catalytic converter which is arranged upstream of the exhaust gas cooling device (4). Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) zumindest einen Partikelfilter aufweist, der stromaufwärts vor der Abgasentwärmungseinrichtung (4) angeordnet ist.Exhaust aftertreatment device (1) according to one of claims 2 until 5 , characterized in that the exhaust gas aftertreatment device (1) has at least one particle filter which is arranged upstream of the exhaust gas cooling device (4). Kraftfahrzeug, umfassend einen Ottomotor und eine Abgasnachbehandlungseinrichtung (1), die an den Ottomotor angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6 ausgeführt ist und dass der Ottomotor für einen Betrieb mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ sehr nahe bei 1 ausgelegt ist.Motor vehicle comprising an Otto engine and an exhaust gas aftertreatment device (1) which is connected to the Otto engine, characterized in that the exhaust gas aftertreatment device (1) according to one of claims 2 until 6 is designed and that the gasoline engine is designed for operation with a combustion air ratio λ very close to 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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