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DE10252733A1 - Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen eines Kraftfahrzeugs Download PDF

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DE10252733A1 DE2002152733 DE10252733A DE10252733A1 DE 10252733 A1 DE10252733 A1 DE 10252733A1 DE 2002152733 DE2002152733 DE 2002152733 DE 10252733 A DE10252733 A DE 10252733A DE 10252733 A1 DE10252733 A1 DE 10252733A1
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Abstract

Es wird eine Vorrichtung (10) zum Reinigen von Abgasen eines Kraftfahrzeugs vorgestellt. Die Vorrichtung weist einen Filterkörper auf, bei dem ein erster Bereich (18) vorgesehen ist, der zur SO¶x¶-Speicherung vorgesehen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen eines Kraftfahrzeugs.
  • Insbesondere bei Dieselkraftfahrzeugen stellt bei der Erreichung der Abgasgrenzwerte die Verminderung von NOx- und Partikelemissionen ein Problem dar. Bei Dieselfahrzeugen wird hierzu bspw. ein auf der Wirkung eines NOx-Speicherkatalysator beruhendes Entstickungsverfahren erprobt. Bei diesem werden die Stickoxide allgemein adsorbiert und die adsorbierten Stickoxide periodisch aus dem Speicher innerhalb kurzer Fettphasen reduktiv desorbiert und an dem Katalysator umgesetzt.
  • Problematisch bei NOx-Speicherkatalysatoren ist jedoch deren Anfälligkeit für Schwefeloxide. Diese werden an der Speicherkomponente stärker als Stickoxide adsorbiert und blockieren daher den Zugang der Stickoxide zu den Speicherplätzen. Aus diesem Grunde muß ein schwefelvergifteter Katalysator nach bestimmten Zeiträumen von eingelagertem Schwefel befreit werden. Durch einen solchen Entschwefelungsvorgang kann die Entschwefelung ganz oder teilweise erreicht werden. Diese läuft bei Temperaturen von 400 bis 800°C und einer Luftzahl von λ < 1 in einem Zeitraum von mehreren Sekunden bis mehreren Minuten ab.
  • Es ist zu beachten, daß hohe Schwefelkonzentrationen im Abgas und hohe Abgastemperaturen das Wachstum von Metallsulfatkristallen aus den Aktivkomponenten (bspw. Ba, Sr) fördern. Dadurch erhöht sich die Gefahr, daß der Katalysator nicht mehr vollständig entschwefelt werden kann. Daher ist es notwendig, höhere Regenerationstemperaturen einzusetzen. Sowohl sehr hohe Entschwefelungstemperaturen als auch eine unvollständige Entschwefelung können aber zu irreversiblen Aktivitätsverlusten des Katalysators führen.
  • Deshalb wird nach dem Stand der Technik versucht, den Katalysator vor Schwefel zu schützen. Eine Möglichkeit besteht darin, Schwefelbestandteile in dem Kraftstoff zu eliminieren. Allerdings bleiben dabei bislang Restmengen an Schwefel von mehr als 5 ppm in dem Kraftstoff vorhanden. Außerdem beginnt derzeit bei Schwefelgehalten des Kraftstoffs von weniger als 10 ppm der Beitrag des Motoröls zum Schwefelgehalt des Abgases zu überwiegen.
  • Eine bekannte Maßnahme sieht vor, sogenannte SOx-Fallen in dem Abgastrakt vorzusehen, um den NOx-Speicherkatalysator vor Schwefel zu schützen. Dabei hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, eine räumliche Trennung zwischen der SOx-Falle und dem NOx-Speicher zu realisieren, so daß das SOx-haltige Abgas zuerst mit der SOx-Falle in Kontakt kommt.
  • Weiterhin ist es bekannt, eine einen NOx-Speicherkatalysator enthaltende Schicht mit einer Schicht aus SOx-Speichermaterial zu beschichten. Ebenfalls bekannt ist es, eine SOx-Falle stromaufwärts vor einem NOx-Speicher anzuordnen. Bei einer darauf aufbauenden Konstruktion eines Zweistrangsystems enthält jeder Strang einen NOx-Speicher und einen vorgeschalteten SOx-Speicher. Dabei ist während der SOx-Einspeicherung der SOX-Speicher stromaufwärts vor dem NOx-Speicherkatalysator angeordnet. Bei der SOx-Regeneration wird über ein Klappensystem eine umgekehrte Reihenfolge verwirklicht.
  • Für zukünftige Abgasreglementierungen reichen ggf. NOx-Minderungsverfahren nicht mehr aus. Für diese Fahrzeuge kann die Installation von nachmotorischen NOx- und Partikelminderungsvorrichtungen notwendig werden. Dabei müssen mehrere Modelle, bspw. Katalysatoren oder Filter, in dem Abgasstrang hintereinander geschaltet werden, was kosten- und platzintensiv ist und weiterhin zu hohen Druckverlusten in dem Abgasstrang führen kann.
  • Es hat sich gezeigt, daß ein Modul, das mehrere Komponenten in sich vereinigt, bspw. Partikel und NOx-Minderungssysteme, den Vorteil hat, Kosten und Raum einzusparen. Gleichzeitig wird hohen Druckverlusten in dem Abgasstrang entgegenwirkt.
  • Es sind bereits derartige Systeme bekannt, die ein Partikelfilter und einen NOx-Speicherkatalysator enthalten. Bei diesen ist vorteilhaft, daß simultan eine NOx-Speicherdesulfatierung und eine Partikelfilterregeneration stattfinden können.
  • Aus der Druckschrift DE 198 50 757 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Desulfatierung einer Katalysatoreinrichtung bekannt. Bei dem vorgestellten Verfahren wird die bei einer Regeneration eines Partikelfilters freiwerdende Wärme zur Regeneration der desaktivierten Katalysatoroberfläche verwendet. Die beschriebene Vorrichtung umfaßt eine Katalysatoreinrichtung, einen Partikelfilter und eine Wärmeübertragungseinrichtung.
    •
  • Demgegenüber ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen eines Kraftfahrzeugs ein Partikelfilterkörper vorgesehen, der einen Bereich aufweist bzw. trägt, der zur SOx-Speicherung ausgelegt ist.
  • SOx-Fallen bzw. SOx-Speicher enthalten vorzugsweise mittelmäßig bis stark basische Elementoxide, bspw. deren Hydroxide, Carbonate, wie SrO, CaO, Li2O, MgO, Ag2O oder Verbindungen der späteren Seltenen Erden sowie Sc und Y.
  • In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist optional zusätzlich ein zweiter Bereich vorgesehen, der als NOx-Speicherkatalysator dient. Bei dieser erweiterten Ausführungsform sind somit SOx-Fallen in einem mit einer NOx-Speicherkatalysatorfunktion versehenen Partikelfilter integriert, wobei der NOx- und der SOx-Speicher räumlich voneinander getrennt vorliegen. Somit ist eine NOx-Speicherfunktion und eine SOx-Speicherfunktion auf einem Partikelfilter kombiniert und der NOx-Speicherkatalysator wird vor Schwefel geschützt.
  • Zweckmäßigerweise ist der erste Bereich, der zur SOx-Speicherung ausgelegt ist, stromaufwärts zu dem zweiten Bereich angeordnet, der als NOx-Speicherkatalysator dient.
  • Vorzugsweise führt der erste Bereich zusätzlich eine Rußoxidationsfunktion aus. Hierzu empfiehlt sich die Verwendung von Silber und andere bei Temperaturen zwischen 200°C und 600°C mobile oder fluide Komponenten.
  • Vorzugsweise sind in dem ersten Bereich zusätzlich Edelmetalle zur Oxidation vorgesehen. Dies bewirkt eine effektive Oxidation von SO2 und SO3 und weiterhin eine Oxidation von NO zu NO2. Hierfür sind vorteilhafterweise Edelmetalle, insbesondere Platin und andere redoxaktive Verbindungen, wie bspw. Vanadiumoxide, vorgesehen.
  • Die stromwärtsangebrachte SOx-Speicherfunktion kann zusätzlich modifiziert werden, so daß diese die Abbrandtemperatur des auf dem Filter angesammelten Rußes senkt oder mit einer die Abbrandtemperatur des auf dem Filter angesammelten Rußes senkenden Katalysatorformulierung kombiniert wird. Die Kombination von Rußoxidations- und SOx-Speicher-Funktion kann dabei durch sukzessives Beschichten der Katalysatorkomponenten, durch mechanisches Mischen und anschließende Beschichtung, durch Vereinigung der aktiven Komponenten auf einem Washcoat, durch Erzeugung von Mischphasen, bspw. durch Sol-Gel-Verfahren, oder durch Trägern der einen Komponente auf der anderen, so daß eine Komponente als Washcoat dient, verwirklicht werden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann bspw. als Wandfluß-Partikelfilter oder als Schaum- bzw. Tiefenfilter oder als eine Kombination dieser Partikelfiltertypen ausgebildet sein. Durch Kombination von Filter mit SOx-Speicher können Regeneration von Filter und SOx-Speicher synchron durchgeführt werden. Ferner wird der SOx-Speicher platzsparend und räumlich vom NOx-Speicherkatalysator getrennt auf einem Filtermedium verwirklicht. Katalytisches Material kann effizient verwendet werden, indem es für SOx-Speicherung und Rußoxidation eingesetzt wird.
  • In erweiterter Form können Regeneration des SOx-Speichers und die Regeneration des NOx-Speichers synchron durchgeführt werden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine wirkungsvolle Kombination eines NOx-Speicherkatalysator und einer Rußfilterfunktion, bei der eine die Langzeitfunktionsfähigkeit des NOx-Speicherkatalysators verbessernde SOx-Falle integriert ist.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
    •
  • Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Zeichnung
  • Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
  • 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Schnittansicht.
  • Die dargestellte Vorrichtung ist als ein Wandfluß-Partikelfilter 10 ausgebildet. Dieses umfaßt einen Gaszuflußkanal 12 und einen Gasabflußkanal 14. Dabei wird der Aufbau des Partikelfilters 10 durch eine poröse Wand 16 definiert, die die Filterwirkung bewirkt.
  • Im Bereich des Gaszuflußkanals 12 ist die poröse Wand 16 mit einem ersten Bereich 18 beschichtet, der die SOx-Speicherfunktion und ggf. eine Rußoxidationsfunktion ausführt. In dem Gasabflußkanal 14 ist die poröse Wand 16 mit einem zweiten Bereich 20, nämlich einer NOx-Speicherkatalysatorbeschichtung, versehen bzw. beschichtet.
  • Im Betrieb strömt das Abgas von oben in den Gaszuflußkanal 12, durchdringt den ersten Bereich 18, die poröse Wand 16 und den zweiten Bereich 20 und strömt abschließend unten aus dem Gasabflußkanal 14 aus.
  • Hierbei können mehrere Gaszuflusskanäle 12 bzw. mehrere Gasabflusskanäle 14 parallel und nebeneinander wechselweise angeordnet sein, wobei die Gaszuflusskanäle auf der stromaufwärtigen Seite des Filters offen sind und die Gasabflusskanäle auf der stomabwärtigen Seite des Filters offen sind.

Claims (8)

  1. Vorrichtung zum Reinigen von Abgasen eines Kraftfahrzeugs mit einem Filterkörper, bei dem ein erster Bereich (18) vorgesehen ist, der zur SOx-Speicherung ausgelegt ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der zusätzlich ein zweiter Bereich (20) vorgesehen ist, der als NOx-Speicherkatalysator dient.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der erste Bereich (18) stromaufwärts zu dem zweiten Bereich (20) angeordnet ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der erste Bereich (18) zusätzlich eine Rußoxidationsfunktion ausführt.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, die einen Gaszuflußkanal (12) und einen Gasabflußkanal (14) aufweist, wobei in dem Gaszuflußkanal (12) der erste Bereich (18) und in dem Gasabflußkanal (14) der zweite Bereich (20) vorgesehen ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem in dem ersten Bereich (18) Edelmetalle zur Oxidation vorgesehen sind.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die als Wand-Fluß-Partikelfilter (10) ausgebildet ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die als Tiefenfilter ausgebildet ist.
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