DE10226975A1

DE10226975A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Reinigung von Abgas eines Dieselmotors

Info

Publication number: DE10226975A1
Application number: DE2002126975
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr. Amon; Stefan Dr. Fischer; Lothar Hofmann; Erich Dr. Hums
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2002-06-17
Filing date: 2002-06-17
Publication date: 2004-01-15

Abstract

Die Vorrichtung weist einen Partikelfilter (4) für im Abgas (A) enthaltende Rußpartikel sowie einen SCR-Katalysator auf. Der Partikelfilter (4) ist zugleich als Hydrolysekatalysator für die Umsetzung von Harnstoff in Ammoniak ausgebildet. Hierdurch übernimmt der Partikelfilter (4) in vorteilhafter Weise Funktionen des SCR-Systems, so dass sich dieses und der Partikelfilter wechselweise günstig beeinflussen.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Reinigung von Abgas eines Dieselmotors Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Reinigung von Abgas eines Dieselmotors mit einem Partikelfilter für im Abgas enthaltene Rußpartikel sowie mit einem nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion wirkenden Entstickungskatalysator zur Reduzierung von im Abgas enthaltenen Stickoxiden.
Bei der Verbrennung von Diesel in einem stationären oder mobilen Dieselmotor, insbesondere in einem Kraftfahrzeug-Motor, fällt ein Abgas an, das u.a. Stickoxide und Rußpartikel enthält. Sowohl die Stickoxide als auch die Rußpartikel stellen Umwelt belastende Stoffe dar und sollen daher aus dem Abgas weitgehend entfernt werden. Bei modernen Dieselmotoren im Kraftfahrzeugbereich treten im Abgas heutzutage äußerst feine Rußpartikel auf, die Krebs erzeugend wirken können. Daher wird die Anordnung eines Partikelfilters angestrebt, wie beispielsweise aus der DE 100 20 170 C1 zu entnehmen ist.

Im Hinblick auf die Reduzierung der im Abgas enthaltenen Stickoxide hat sich das so genannte SCR-Verfahren (Selectiv Catalytic Reduction) bewährt. Bei diesem Verfahren wird dem Abgas ein Reduktionsmittel vor dem Eintritt in den SCR-Katalysator beigemischt. Im SCR-Katalysator erfolgt dann die Reduktion der Stickoxide zu Wasserstoff und Stickstoff. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise beschrieben in der WO 99/55445 . Danach ist vorgesehen, dass in das Abgas eine wässrige Harnstofflösung eingedüst wird. Diese muss anschließend noch zu Ammoniak umgesetzt werden.

Die Anordnung eines Partikelfilters zusammen mit einem SCR-Katalysator ist beispielsweise in der CH 689 687 A5 beschrieben. Es werden dabei die beiden Systeme der Partikelfilterung und der Stickoxidreduzierung in Strömungsrichtung des Abgases nacheinander angeordnet und jeweils unabhängig voneinander betrieben. Dies erfordert einen großen Einbauraum.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wirksame Abgasreinigung in einer einfachen und kompakten Bauform zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Vorrichtung zur Reinigung von Abgas eines Dieselmotors mit einem Partikelfilter für im Abgas enthaltene Rußpartikel sowie mit einem nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion wirkenden Entstickungskatalysator zur Reduzierung von im Abgas enthaltenen Stickoxiden, wobei der Partikelfilter zugleich als Hydrolysekatalysator für die Umsetzung von Harnstoff in Ammoniak ausgebildet ist.

Dieser Ausgestaltung liegt die Idee zugrunde, die beiden Systeme der Partikelfilterung und der Entstickung nicht nur nebeneinander innerhalb einer Abgasreinigungsanlage vorzusehen, sondern derart miteinander zu kombinieren, dass sie sich wechselseitig beeinflussen, so dass sie ein einheitliches Gesamtsystem bilden. Durch die Ausbildung des Partikelfilters zugleich als Hydrolysekatalysator übernimmt der Partikelfilter eine für die Entstickung notwendige Funktion, nämlich die Hydrolyse des in das Abgas eingedüsten Harnstoffs zu Ammoniak, welches dann im – in Strömungsrichtung des Abgases gesehen – nachgeordneten Entstickungskatalysator (SCR-Katalysator) zur Reduzierung der Stickoxide verbraucht wird. Es entfällt daher die Notwendigkeit, einen zusätzlichen, separaten Hydrolysekatalysator vorzusehen, der üblicherweise bei dem System zur Entstickung mittels eingedüster Harnstofflösung vorhanden ist.

Zweckdienlicherweise ist die dem Abgas ausgesetzte Innenwand des Partikelfilters zumindest teilweise mit einer hydrolyseaktiven Beschichtung versehen. Die Beschichtung hat also für die Harnstofflösung sauren Charakter, so dass bei Kontakt der Harnstofflösung mit der Beschichtung die Hydrolyse erfolgt. Die Beschichtung wird bevorzugt auf einen geeigneten herkömmlichen Partikelfilter aufgebracht, beispielsweise auf einen so genannten Wandstromfilter.

Als Beschichtungsmaterial ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung zumindest eines der Materialien saures Aluminiumoxid, Siliziumoxid, saurer Zeolith, Feststoffsäure, Titanoxid oder Wolframoxid vorgesehen. Allen diesen Materialien ist gemein, dass sie für die Harnstofflösung einen sauren Charakter aufweisen, also hydrolyseaktiv sind. Unter „saurer Zeolith" wird hierbei ein Zeolith verstanden, also eine Silizium-Aluminium-Verbindung, die einen hohen Siliziumanteil aufweist, da mit zunehmendem Siliziumanteil der saure Charakter zunimmt .

In einer zweckdienlichen Weiterbildung ist der Partikelfilter zur Erzeugung einer turbulenten Strömung im Abgas ausgebildet. Neben der Funktion der Hydrolyse übernimmt der Partikelfilter dadurch zugleich auch noch die Funktion des Vermischens und der Homogenisierung der Reduktionsmittellösung bzw. des Ammoniaks im Abgas. Diese Vermischung ist für eine möglichst homogene und vollständige Umsetzung des Ammoniaks im nachgeschalteten SCR-Katalysator von wesentlicher Bedeutung. Auch für diese Funktion ist in einem herkömmlichen SCR-System üblicherweise ein separates Bauteil, wie beispielsweise ein statischer Mischer, vorgesehen, der dem SCR-Katalysator vorgeschaltet ist.

Um die Funktionsfähigkeit des Partikelfilters sowohl im Hinblick auf die Filterwirksamkeit als auch im Hinblick auf die Hydrolyseaktivität zu gewährleisten ist der Partikelfilter zweckdienlicherweise durch die Zufuhr von thermischer Energie regenerierbar. Bei der Regeneration erfolgt dabei eine Oxidation der an der Oberfläche des Partikelfilters abgelagerten Rußpartikel. Dadurch wird zum einen ein Zusetzen des Parti kelfilters durch die abgelagerten Rußpartikel verhinert. Zum anderen wird zugleich gewährleistet, dass die mit der hyd_rolyseaktiven Beschichtung versehene Innenwand des Partikelfilters frei bleibt bzw. frei gelegt wird, so dass die Hydrolyseaktivität erhalten bleibt. Im Hinblick auf die Hydrolysewirkung des Partikelfilters kann eine gegebenenfalls hydrolyseaktive Wirkung der Rußpartikel Berücksichtigung finden, d.h. für die Hydrolyseaktivität des Partikelfilters kann zusätzlich zur hydrolyseaktiven Beschichtung ein gewisser Anteil von abgelagerten Rußpartikeln zweckdienlich sein.

Durch die Zufuhr. der thermischen Energie wird zudem in vorteilhafter Weise das Abgas erwärmt, was zu einer Eröhung der Aktivität des nachfolgenden SCR-Katalysators führt.

Vorzugsweise ist die Energiezufuhr zur Regeneration des Partikelfilters steuerbar oder regelbar, und zwar insbesondere in Abhängigkeit eines Temperaturwerts und/oder eines Druckwerts. Die Steuerung/Regelung in Abhängigkeit eines Messwerts für die Temperatur oder für den Druck gewährleistet die Aufrechterhaltung der Funktion des Partikelfilters. So besteht beispielsweise die Möglichkeit, den Druckabfall im Abgas über den Partikelfilter als Maß für ein Zusetzen des Partikelfilters heran zu ziehen und ab einem vordefinierten Grenzwert die Regeneration zu beginnen.

Der Steuerung/Regelung in Abhängigkeit eines Temperaturwerts, insbesondere der Temperatur des Abgases, liegt die Überlegung zugrunde, dass die Abgastemperatur starken Schwankungen unterworfen ist, insbesondere bei einem häufigen Lastwechseln ausgestzten Kraftfahrzeug-Dieselmotor. Typischerweise schwankt die Abgastemperatur dort zwischen 200°C bei geringem Lastzustand und etwa 500°C bei hohem Lastzustand. Insbesondere im Niedertemperaturbereich muss die Hydrolyseaktivität gewährleistet sein, da der Harnstoff nicht thermisch zersetzt werden kann. Daher wird die Regeneration insbesondere bei geringen Lastzuständen durchgeführt.

Alternativ zu der Steuerung/Regelung in Abhängigkeit dieser beiden Messwerte kann die Regeneration des Partikelfilters auch nach einer festgelegten Betriebsdauer jeweils zyklisch erfolgen.

Zweckdienlicherweise ist zur Regeneration eine elektrische Beheizung vorgesehen, die den Partikelfilter auf Temperaturen im Bereich zwischen 400° und 550°C erhitzt, so dass die abgelagerten Rußpartikel sicher thermisch oxidiert werden.

Vorzugsweise ist die Oberfläche des Partikelfilters weiterhin frei von oxidationsaktiven Beschichtungen wie Edelmetallbeschichtungen. Diese führen nämlich zu einer unerwünschten Oxidation des Reduktionsmittels. Gleiches gilt für oxidationsfördernde Zusatzkomponenten, wie z.B. Kraftstoffadditive,

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Reinigen eines Abgases eines Dieselmotors, bei dem im Abgas enthaltene Rußpartikel in einem Partikelfilter herausgefiltert und im Abgas enthaltene Stickoxide in einem Entstickungskatalysator nach dem Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion reduziert werden, wobei in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Partikelfilter eine Harnstofflösung in das Abgas eingebracht wird, die im zugleich als Hydrolysekatalysator ausgebildeten Partikelfilter zumindest teilweise zu Ammoniak umgesetzt wird.

Eine vollständige Umsetzung der Harnstofflösung durch Hydrolyse im Partikelfilter ist nicht zwingend erforderlich, da eine Umsetzung auch noch im Strömungsweg zwischen dem Partikelfilter und dem SCR-Katalysator bzw. innerhalb des SCR-Katalysators erfolgen kann.

Die im Hinblick auf die Vorrichtung angeführten Vorteile sowie bevorzugten Ausführungsformen sind sinngemäß auch auf das Verfahren anzuwenden.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens werden die im Abgas enthaltenen Rußpartikel zumindest teilweise zur Unterstützung der Hydrolyse im Partikelfilter herangezogen. Diese Maßnahme beruht auf der Erkenntnis, dass die Hydrolyseaktivität durch im Partikelfilter befindliche Rußpartikel positiv beeinflusst wird. Es ist daher insbesondere vorgesehen, im Partikelfilter jederzeit einen gewissen Anteil an Rußpartikeln zu gewährleisten. Eine vollständige Regeneration des Partikelfilters mit der vollständigen Entfernung aller Rußpartikel wird daher vorzugsweise vermieden.

Zur Verbesserung der Hydrolyseaktivität des Hydrolysekatalysators ist weiterhin nach einer vorteilhaften Ausgestaltung die Beimischung von geeigneten Additiven zum Kraftstoff für den Dieselmotor vorgesehen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der einzigen Figur näher erläutert. Die einzige Figur zeigt in einer schematischen stark vereinfachten Darstellung einen Ausschnitt aus einem Abgasstrang insbesondere eines Kraftfahrzeugs mit Dieselmotor, in dem eine Vorrichtung zur Reinigung des Abgases vorgesehen ist.
Ein Abgasrohr 2 wird beim Betrieb eines nicht dargestellten Dieselmotors von einem Abgas A in der durch einen Pfeil dargestellten Strömungsrichtung durchströmt. Im Abgasweg sind in Strömungsrichtung nacheinander zunächst ein Partikelfilter 4 und anschließend ein SCR-Katalysator 6 angeordnet, die jeweils vom Abgas A vollständig durchströmt werden. Der Partikelfilter 4 ist insbesondere also so genannter Wandstromfilter ausgebildet, bei dem das Abgas an der Innenwand 8 des Partikelfilters 4 vorbei strömt. Durch die schematisch angedeutete Zick-Zack-Führung des Abgases A soll lediglich ganz allgemein illustriert werden, dass das Abgas A im Partikelfilter 4 durch geeignete strömungslenkende Maßnahmen verwirbelt wird, so dass eine turbulente oder drallbehaftete Abgasströmung erzielt wird.
Der SCR-Katalysator 6 weist bevorzugt einzelne wabenförmige Kanäle auf, durch die das Abgas strömt, und die aus einem katalytisch aktiven Material bestehen. Im SCR-Katalysator erfolgt eine Reduzierung der im Abgas enthaltenen Stickoxide nach dem Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion. Hierzu ist ein Reduktionsmittel erforderlich. Als solches wird Ammoniak verwendet. Da dieses sich nur unter Aufwand in einem Kraftfahrzeug bevorraten lässt, wird das Ammoniak während des Betriebs aus einer Harnstofflösung gewonnen. Diese Harnstofflösung wird über eine Eindüsvorrichtung 10 in das Abgas A eingedüst, und zwar in Strömungsrichtung gesehen vor dem Partikelfilter 4.
Der wesentliche Gesichtspunkt der Vorrichtung ist darin zu sehen, dass der Partikelfilter 4 zugleich auch als Hydrolysekatalysator ausgebildet ist und zur Umsetzung der Harnstofflösung in Ammoniak dient. Hierzu weist der Partikelfilter 4 auf der Oberfläche seiner Innenwand 8 eine punktiert dargestellte hydrolyseaktive Beschichtung auf. Diese Beschichtung wird beispielsweise durch Eintauchen des Partikelfilters 4 in ein geeignetes Tauchbad und anschließendes Trocknen aufgebracht. Die Beschichtung 12 weist allgemein einen für die Harnstofflösung sauren Charakter auf, wirkt also für die Harnstofflösung hydrolyseaktiv. Dies führt dazu, dass die vor dem Partikelfilter 4 über die Eindüsvorrichtung 10 eingesprühte Harnstofflösung im Partikelfilter 4 zumindest teilweise zu Ammoniak umgesetzt wird.
Durch die Verwirbelung des Abgases A im Partikelfilter beispielsweise durch geeignete Umlenkbleche wird eine innige Vermischung der Harnstofflösung bzw. des bereits umgesetzten Ammoniaks mit dem Abgas A erreicht. Die turbulente Strömungsführung dient zudem dazu, dass ein möglichst großer Anteil der Harnstofflösung mit der Beschichtung 12 in Kontakt kommt und zu Ammoniak umgesetzt wird. Die Verwirbelung des Abgases im Partikelfilter ist zudem auch im Hinblick auf die Filterwirkung günstig. Denn die zu filternden Rußpartikel werden durch Adhäsion an der Innenwand 8 abgelagert. Auch aus diesem Grund ist daher anzustreben, dass möglichst sämtliche Abgasteile mit der Innenwand 8 in Berührung kommen.
Bei der Vorrichtung sind demnach die beiden Systeme Partikelfilterung und Entstickung in vorteilhafter Weise derart miteinander kombiniert, dass der Partikelfilter 4 und das SCR-System sich in ihrer Funktion und Wirksamkeit gegenseitig begünstigen.
Um einen sicheren Betrieb mit ausreichender Hydrolyseaktivität sowie ausreichender Filterfunktion zu gewährleisten ist der Partikelfilter 4 als regenerierbarer Partikelfilter 4 ausgebildet, der während des Betriebs regeneriert wird. Die Regeneration erfolgt dabei durch thermische Energiezufuhr über eine elektrische Heizeinrichtung 14. Der Heizeinrichtung 14 ist eine Steuer- oder Regeleinheit 16 zugeordnet, die die Regeneration steuert. Sie steuert dabei den Zeitpunkt der Regeneration, die Dauer der Regeneration und unter Umständen die Temperatur, auf die der Partikelfilter 4 bei der Regeneration aufgeheizt wird. Durch das Aufheizen werden die abgelagerten Rußpartikel oxidiert und von der Innenwand 8 wieder entfernt. Dies führt zum einen dazu, dass der Strömungsweg für das Abgas A offen und der Druckverlust über den Partikelfiler gering bleibt. Zugleich wird durch die Regenration die hydrolyseaktive Beschichtung 12 frei gelegt, so dass die hydrolyseaktiven Eigenschaften des Partikelfilters 4 aufrecht erhalten bleiben.
In einer einfachen Variante erfolgt die Regeneration in vordefinierten zyklischen Zeitabständen. Alternativ kann auch eine druck- und/oder temperaturkontrollierte Steuerung oder Regelung vorgesehen sein. Hierzu ist eine Temperaturmesseinrichtung 18 in den Abgasweg angeordnet, die zur Erfassung der Abgastemperatur ausgelegt ist und diese an die Steuer/Regeleinheit 16 übermittelt. Alternativ oder in Kombination ist eine Messeinrichtung 20 zur Erfassung des Druckabfalls über den Partikelfilter 4 vorgesehen. Der Wert des erfassten Differenzdrucks zwischen den Positionen vor und nach dem Partikelfilter 4 wird ebenfalls an die Steuer/Regeleinheit 16 übermittelt.

Claims

Vorrichtung zur Reinigung von Abgas eines Dieselmotors mit einem Partikelfilter (4) für im Abgas (A) enthaltene Rußpartikel sowie mit einem nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion wirkenden Entstickungskatalysator (6) zur Reduzierung von im Abgas (A) enthaltenen Stickoxiden, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (4) zugleich als Hydrolysekatalysator für die Umsetzung von Harnstoff in Ammoniak ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeihnet , dass die dem Abgas (A) ausgesetzte Innenwand (8) des Partikelfilters (4) zumindest teilweise mit einer hydrolyseaktiven Beschichtung (10) versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Beschichtungsmaterial zumindest eines der Materialien saures Aluminiumoxid, Siliziumoxid, saurer Zeolith, Feststoffsäure, Titanoxid oder Wolframoxid vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (4) zur Erzeugung einer turbulenten Strömung im Abgas ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (4) durch Zufuhr von thermischer Energie regenerierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , dass die Energiezufuhr zum Partikelfilter (4 ) steuerbar oder regelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , dass die Energiezufuhr in Abhängigkeit eines Temperaturwerts und/oder eines Druckwerts regelbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand (8) des Partikelfilters (4) frei von oxidationsaktiven Beschichtungen ist.
Verfahren zum Reinigen eines Abgases (A) eines Dieselmo ors, bei dem im Abgas (A) enthaltene Rußpartikel in einem Partikelfilter (4) herausgefiltert und im Abgas (A) enthaltene Stickoxide in einem Entstickungskatalysator (6) nach dem Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion reduziert werden, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung vor dem Partikelfilter (4) eine Harnstofflösung in das Abgas (A) eingebracht wird, die im zugleich als Hydrolysekatalysator ausgebildeten Partikelfilter (4) zumindest teilweise zu Ammoniak umgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die im Abgas (A) enthaltenen Rußpartikel zumindest teilweise zur Unterstützung der Hydrolyse im Partikelfilter(4) herangezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem einem Kraftstoff für den Dieselmotor Additive beigemischt werden, die die Hydrolyseaktivität des Hydrolysekatalysators verbessern.