DE602004002347T2

DE602004002347T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE602004002347T2
Application number: DE602004002347T
Authority: DE
Inventors: Remi Noirot
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2004-07-15
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2024-07-16
Also published as: EP1503052B1; FR2858355B1; JP4481101B2; EP1503052A1; ATE339599T1; ES2271805T3; US7225611B2; JP2005054780A; FR2858355A1; US20050022518A1; DE602004002347D1

Description

Die Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren, insbesondere Verfahren und Vorrichtungen, die auf die Reduzierung der umweltverschmutzenden Emissionen dieser Motoren, insbesondere von Dieselmotoren, abzielen.
Die umweltverschmutzenden Emissionen von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Dieselmotoren, können im Wesentlichen in vier Kategorien eingeteilt werden, wobei die in die Atmosphäre ausgestoßenen Mengen gesetzlich festgelegte Grenzen nicht überschreiten dürfen:

– CO,
– Kohlenwasserstoffe,
– NO_X-Stickoxide,
– feste Partikel.

Bekannt ist, zu diesem Zweck Auspuffleitungen von Fahrzeugen mit Partikelfiltern auszustatten. Ihre vorrangige Funktion ist, feste Partikel abzufangen. Es ist notwendig, regelmäßig eine Verbrennung der Partikel durchzuführen, derart, dass der Filter regeneriert wird, um seine nominale Filtrationsleistung wiederherzustellen.
Die Partikel (Ruße) bestehen, wenn sie sich auf dem Filter ablagern, aus:

– einem Aggregat aus Kohlenstoffpartikeln, die 50 bis 95 % der Rußmasse ausmachen,
– Metall-, Mineral- oder Metalloxid-Elementen, die aus der Verbrennung des Dieselbrennstoffs und eventueller Zusätze, dem Schmieröl oder dem Abrieb von Metallteilen im Inneren des Motors stammen und einige Massenprozent der Ruße ausmachen,
– Sulfaten oder Nitraten, die meist im ionischen Zustand vorliegen und aus der Verbrennung der schwefelhaltigen Kohlenwasserstoffe, die im Treibstoff enthalten sind, und aus der Oxidation von NO zu NO₂ und der anschließenden Verbrennung des NO₂ mit den im Ruß erhaltenen Oxiden stammen, z. B.: NO₂ + BaO → BaNO₃ oder K₂O + 2NO₂ → 2KNO₃,
– Flüssigkeiten (Kohlenwasserstoffe, Wasser ...), die in der inneren Struktur der Kohlenstoff-Aggregate in größeren oder kleineren Mengen adsorbiert sind und bis zu etwa 50 % der Masse der Ruße ausmachen.

Um diese Ruße während der Regenerationsverfahren der Filter durch Verbrennung zu eliminieren, sind verschiedene Verfahren bekannt.
Eine erste Lösung besteht darin, den Filter bis zu einer ausreichenden Temperatur und über einen ausreichenden Zeitraum zu erhitzen. Dadurch werden die adsorbierten Flüssigphasen verdampft und der inneren Struktur der Ruße das Wasser entzogen. Um eine Verdampfung aller unverbrannten Kohlenwasserstoffe zu erreichen, ist eine Temperatur über 500°C notwendig. Andererseits löst diese Temperaturerhöhung auf 550°C oder höher die Reaktion des Ruß-Kohlenstoffs mit auf seiner Oberfläche adsorbiertem Sauerstoff aus. Dem Dieselbrennstoff zugegebene Additive, wie beispielsweise Cerium, fördern diese Verbrennung.
Eine zweite Lösung besteht darin, die auf den Rußen adsorbierten Kohlenwasserstoffe zu verbrennen, wobei die bei dieser Verbrennung erzeugte Hitze Bedingungen erzeugt, die für die Verbrennung des betreffenden Kohlenstoffs günstig sind. Dazu kann ein Wärmepunkt im Inneren des Rußbetts, beispielsweise mit Hilfe einer Glühkerze, die gegenüberliegend vor dem Filter platziert ist, erzeugt werden; dies macht jedoch die Konzeption der Auspuffleitung kompliziert. Eine andere Lösung besteht darin, die Verbrennung der Kohlenwasserstoffe bei niedriger Temperatur zu katalysieren, im Allgemeinen mit Hilfe von Alkali- oder Erdalkalimetallen. Diese Katalysatoren können dem Treibstoff zugegeben werden oder in den Partikelfilter eingebracht sein. Für die Durchführung dieses Prinzips ist es jedoch notwendig, dass der Motor eine relativ große Menge an unverbrannten Kohlenwasserstoffen ausstößt. Dies ist bei Hochleistungs-Dieselmotoren jedoch nicht der Fall. Außerdem erfordert die Notwendigkeit der Reduzierung der CO-Emission die Verwendung äußerst effizienter Oxidations-Katalysatoren oberhalb des Filters. Die in dem Filter angesammelten Ruße sind somit im Allgemeinen sehr trocken und wenig mit Kohlenwasserstoffen beladen.
Eine dritte Lösung besteht in der Verwendung von NO₂, welches in dem Abgas vorliegt, um die Oxidation der Ruße bei niedriger Temperatur, beispielsweise ab 300°C, zu fördern. Dennoch ist die Kinetik dieser Reaktion langsam. Tatsächlich wird die Erzeugung von an der Oberfläche des Kohlenstoffs adsorbiertem Sauerstoff durch das NO₂, welche den ersten Schritt der Reaktion darstellt, durch die Diffusion des NO₂ durch den Kohlenstoff hindurch limitiert. Diese wird durch die Gegenwart anderer adsorbierter Verbindungen in der inneren Struktur der Ruße, wie beispielsweise Wasser, Kohlenwasserstoffe, Sulfate, behindert. Andererseits ist die Reaktivität der Ruße in Gegenwart von NO₂ abhängig vom partiellen Druck des NO₂. Es müssen 2 % NO₂ im Abgas enthalten sein, um die Ruße bei 300°C genauso schnell zu verbrennen, wie bei 550°C mit 10 % Sauerstoff. Allerdings emittieren die Dieselmotoren wenig NO_X, insbesondere auf Grund der Anordnung von Rezirkulations-Systemen für die Abgase (EGR-Systeme), welche die Reduktion der ausgestoßenen Mengen, wie von den Normen gegen die Umweltverschmutzung vorgeschrieben, ermöglichen. Der in den Abgasen vorliegende NO_X-Gehalt liegt im Allgemeinen zwischen 0 und 1000 ppm.
Die Reaktivität der Ruße gegenüber NO₂ kann deutlich verbessert werden, wenn der Sauerstoff auf den Kohlenstoffpartikeln voradsorbiert wird oder wenn die Ruße ein Oxid enthalten, dass den Sauerstoff in ihrer inneren Struktur verbrennen kann, wie beispielsweise das Cerinoxid CeO₂ oder eine Cerin-Zirkon-Mischung CeO₂-ZrO₂. Unter diesen Bedingungen kann die Erzeugung von reaktiven Zwischenprodukten des Typs R-C-(adsorbiertes O), welche den ersten Oxidationsschritt der Ruße durch NO₂ darstellt, teilweise ohne Intervention von NO₂ bewirkt werden, folglich unter teilweiser Aufhebung der Diffusionsgrenzen von NO₂ bei niedriger Temperatur. Somit wird ein Zwischenprodukt des Typs R-C(adsorbiertes O)-M erhalten, welches anschließend mit NO₂ folgendermaßen reagiert: R-C(adsorbiertes O)-M + NO₂ → R-C(ONO₂) + M.
Anschließend werden die erhaltenen Kohlenstoff-Stickstoff-Komplexe zu CO, CO₂, Kohlenstoff und NO abgebaut, wobei das Metalloxid eine Rolle als Katalysator spielt, welcher die Absenkung der Temperatur dieses Abbaus um 50°C ermöglicht.
Zur Durchführung dieses Verfahrens wurde der Partikelfilter mit einer Verbindung mit einer typischen Formulierung eines "NO_X-Fangstoffs" (im Allgemeinen des Typs BaCO₃, K₂CO₃...) imprägniert, welcher außerdem ein Material mit starker Sauerstoff-Restitutionsfähigkeit im reichen Milieu ("OSC-Verbindung") enthält. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in dem Dokument EP-A-1 148 227 beschrieben.
Während der "armen" Betriebsphase des Motors (das Verhältnis Luft/Treibstoff liegt über dem stöchiometrischen Verhältnis) adsorbieren die zugänglichen Kohlenstoff-Partikel der Ruße Sauerstoff auf ihrer Oberfläche durch Wirkung von NO₂ (unterhalb von 300°C) und Sauerstoff (oberhalb von 300°C). Unterhalb von 300°C enthalten die vom Motor ausgestoßenen NO_X einen nicht unbedeutenden Anteil an NO₂. Außerdem ermöglicht die Gegenwart von Platin in den NO_X-Fangstoffen ebenso die Überführung von NO in NO₂. Die nicht verwendeten NO_X werden in der inneren Struktur des NO_X-Speichermaterials in Form von Nitraten Ba(NO₃)₂, KNO₃ ... zurückgehalten.
Während der "reichen" Betriebsphase des Motors (das Verhältnis Luft/Treibstoff liegt unter dem stöchiometrischen Verhältnis) zersetzen sich die Nitrate, wodurch Oxide oder Carbonate und gasförmiges NO erzeugt werden, und die NO_X-Falle innerhalb weniger Sekunden regeneriert wird. Bei Kontakt mit Platin und/oder dem OSC-Material (beispielsweise CeZrO_X), welche in der NO_X-Falle vorliegen, wird das NO teilweise in NO₂ überführt, dessen lokale Restitution auf Höhe der Filteroberfläche und in der Nähe der Ruße vorteilhaft für die Erhöhung der Oxidationskinetik der Partikel ist, wenn die Temperatur über 270–300°C liegt.
Somit wird in den beschriebenen Verfahren die Oxidation der Ruße folgendermaßen realisiert:

– Entweder durch Sauerstoff, der aus der Gasphase stammt, oder durch internen oder externen Kontakt mit einem Metalloxid: Cerin, OSC-Material, Additiv-Rückstände...,
– oder durch NO₂ in der Gasphase.

Das Ziel der Erfindung ist, eine andere Vorgehensweise zur Oxidation der Ruße vorzuschlagen, welche die bereits beschriebenen Vorgehensweisen ersetzen oder ergänzen kann, um die Wirksamkeit der Rußverbrennung während der Regeneration der Partikelfilter zu verbessern.
Somit betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Reinigung von Emissionen eines Verbrennungsmotors, wobei die Auspuffleitung mit einem Partikelfilter ausgestattet ist, der periodisch durch Verbrennung der sich darauf absetzenden Rußpartikel regeneriert wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Treibstoff, der dem Motor zugeführt wird, ein Additiv vom NO_X-Fangstoff-Typ derart zugesetzt wird, dass sich das Additiv gefangen im Inneren der Ruße befindet, und dass zum Zeitpunkt der Regeneration des Partikelfilters der Motor im Reichhaltigkeits-Gleichgewicht gemäß wenigstens einer Wechselfolge einer Phase mit armem Gemisch und einer Phase mit reichem Gemisch gesteuert wird, so dass das NO₂ der Auspuffgase während der Phase(n) mit armem Gemisch durch das Additiv adsorbiert wird und die Rußpartikel während der Phase(n) mit reichem Gemisch durch das adsorbierte NO₂ oxidiert werden.
Das Additiv kann einen Stoff enthalten, der sich während der Phasen mit armem Gemisch in ein Nitrat umwandelt.
Der Stoff kann ausgewählt sein aus K₂CO₃, BaCO₃, Stoffen, die sich während der Verbrennung des Treibstoffs in K₂CO₃ oder BaCO₃ umwandeln, und Mischungen dieser Verbindungen.
Das Additiv kann einen Stoff mit starker Sauerstoff-Restitutionsfähigkeit enthalten.
Der Stoff mit starker Sauerstoff-Restitutionsfähigkeit kann ausgewählt sein aus einer Cerin-Zirkon-Mischung und Platin oder einer Mischung dieser Verbindungen.
Das Additiv kann eine Mischung aus K₂CO₃, Cerin und Zirkon sein. Die Konzentration des Additivs vom NO_X-Fangstoff-Typ in dem Treibstoff liegt bevorzugt unter 10 ppm (bezogen auf die Masse).
Während der Regenerationen des Partikelfilters dauern die Phasen mit armem Gemisch bevorzugt 30 bis 300 Sekunden und die Phasen mit reichem Gemisch bevorzugt 3 bis 30 Sekunden an.
Bevorzugt handelt es sich bei beim Motor um einen Dieselmotor. Die Erfindung betrifft ebenso eine Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen, die von einem Verbrennungsmotor stammen, der mit Treibstoff aus einem Tank gespeist wird, wobei die Auspuffleitung einen Partikelfilter aufweist, der die in den Gasen eingeschlossenen Rußpartikel auffängt, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Tank, der ein Additiv vom NO_X-Fangstoff-Typ enthält, Mittel zum Zuführen des Additivs zu dem in dem Tank enthaltenen Treibstoff und Mittel zum Steuern des Betriebs des Motors gemäß einer Wechselfolge von Phasen mit armem Gemisch und Phasen mit reichem Gemisch während der Regenerationsstufen des Partikelfilters aufweist.
Der Partikelfilter kann an seinem Ausgang einen Bereich aufweisen, der mit einem Stoff vom NO_X-Fangstoff-Typ imprägniert ist.
Die Auspuffleitung kann oberhalb des Partikelfilters wenigstens einen Reaktor aufweisen, der einen Oxidationskatalysator enthält.
Die Vorrichtung weist bevorzugt Mittel zum Steuern der Mittel zur Zuführung des Additivs zu dem Treibstoff während des Auffüllens des Treibstofftanks in Abhängigkeit der zugeführten Treibstoffmenge auf.
Wie bereits erwähnt, beruht die Erfindung auf der Anwesenheit eines zusätzlichen Additivs in dem Treibstoff, durch dessen Zusammensetzung die Anordnung kleiner Mengen typischer Stoffe vom NO_X-Fangstoff-Typ auch im Inneren der Ruße ermöglicht wird. Auf diese Weise können kleine Mengen an NO₂ auch der inneren Struktur der Partikel, welche die Ruß-Aggregate bilden, zugeführt werden, was die Oxidation der Ruße bei niedrigen Temperaturen beträchtlich vereinfacht. Diese Verbindungen sind typischerweise Alkali- oder Erdalkalimetall-Verbindungen: Kalium, insbesondere Barium, welche mit dem Treibstoff mischbar sind, beispielsweise Kaliumcarbonat (K₂CO₃) oder Bariumcarbonat (BaCO₃). Um diese Carbonate direkt dem Treibstoff zuzuführen, können als Additiv eine oder mehrere Verbindungen verwendet werden, die sich während der Verbrennung des Treibstoffs in Carbonate umwandeln, beispielsweise Kaliumoctoat oder Bariumoctoat.
Wie oben ausgeführt, ist das NO₂ ein Super-Oxidationsmittel der Ruße, da es die Adsorption des Sauerstoffs auf den zugänglichen Kohlenstoff-Partikeln der Ruße bei Umgebungstemperatur fördert.
Im Rahmen der Durchführung einer Nachbehandlung der Abgase limitieren die adsorbierten Flüssigkeiten und ihre Verdampfung während des Temperaturanstiegs die Diffusion des NO₂ an die Oberfläche der Ruße, wo ihre Oxidation stattfindet.
Indem ein Stoff in der inneren Struktur der Ruße angeordnet wird, der NO₂ produzieren kann, werden die Diffusionsbarrieren, die seine Wirkung bei niedriger Temperatur begrenzen, auf diese Weise beseitigt.
Wie ebenfalls oben beschrieben, wandeln sich die Stoffe vom "NO_X-Fangstoff-"Typ (K₂CO₃, BaCO₃,...) in Nitrate um, die in armem Milieu stabil sind. Versuche zeigten, dass die Nitrate keinerlei Vorteil auf die Katalyse der Diesel-Ruße bei niedriger Temperatur mit sich bringen, insbesondere wenn die Atmosphäre der Diesel-Abgase in der Folge arm bleibt.
Damit das Additiv im Inneren der Diesel-Ruße aktiv ist, muss die Abgas-Atmosphäre im Reichhaltigkeits-Gleichgewicht durch die Motorkontrolle gesteuert werden, damit während der reichen Betriebsphasen der Abbau der an der Peripherie und in der inneren Struktur der Ruße enthaltenen Nitrate ermöglicht wird. Die Periodizität des Reichhaltigkeits-Gleichgewichts kann beispielsweise in der Größenordnung von 60 Sekunden bei armem Betrieb und 6 Sekunden bei reichem Betrieb liegen.
Der Abbau der aus dem Additiv stammenden Nitrate führt zu NO-Emission, im Wesentlichen im reichen Milieu. Um dieses NO zu oxidieren und es im Inneren des Rußes in NO₂ zu überführen, enthält das Additiv bevorzugt außerdem einen Stoff mit starker Sauerstoff-Restitutionsfähigkeit (OSC), wie beispielsweise Cerin-Zirkon (CeZrO_X) oder Platin.
Das Additiv kann auch lediglich aus einer metallorganischen Phase bestehen, die eine feine Dispersion eines Oxids vom Cerin/Zirkon-(Ce-ZrO_X-) Typ erzeugen kann, deren Eigenschaften es ihm ermöglichen, sich wie ein Stoff vom NO_X-Fangstoff-Typ zu verhalten, mit dem zusätzlichen Vorteil bezüglich der Rußverbrennung in Verbindung mit einer verminderten Abbaugeschwindigkeit der Nitrate in reichem Milieu.
Dennoch wird bevorzugt eine gemischte Zusammensetzung des NO_X-Fangstoffs auf Basis von Kalium (K₂CO₃) und Cerin/Zirkon (CeZrO_X) verwendet, auf Grund der bekannten Eigenschaften des Kaliums auf die Katalyse der Kohlenwasserstoffe bei niedriger Temperatur, was ebenso bei der Entwässerung der Dieselpartikel von Nutzen ist (das Kalium trägt zur Reduzierung der löslichen organischen Fraktion bei, wodurch eine bessere Diffusion der Oxidationsgase in das Rußbett ermöglicht wird).
Damit alle Ruße ein aktives Additiv in ihrem Inneren aufweisen, ist es notwendig, dass das Additiv im gesamten Treibstoff vorliegt. Zu diesem Zweck wird das Additiv dem Treibstoff bei jeder Wiederauffüllung des Tanks zugeführt, so dass eine ausreichende permanente Additiv-Konzentration im Treibstoff vorliegt.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die angefügte Figur besser verständlich, wobei die Figur schematisch einen Dieselmotor und seine Auspuffleitung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist, zeigt.
Auf klassische Weise wird der Dieselmotor 1 durch ein Einspritzsystem 2, welches den Dieselbrennstoff aus einem Tank 3 entnimmt, mit Brennstoff gespeist. Der Motor 1 umfasst außerdem in dem vorliegenden Beispiel einen Turbo-Kompressor 4, der durch das Abgas, welches in der Auspuffleitung 5 zirkuliert, angetrieben wird. In der Auspuffleitung 5 sind ein Reaktor 6, der einen Oxidationskatalysator einschließt, und ein Katalysator-Partikelfilter 7, beispielsweise vom bekannten Bienenwaben-Keramiktyp, angeordnet. Gegebenenfalls ist ein Oxidations-Präkatalysator 8 vor den Oxidations-Katalysator 6 geschaltet. Die Auspuffleitung ist außerdem mit Temperatur- und Druckfühlern ausgestattet, die die Steuerung ihres Betriebs ermöglichen. Insbesondere ermöglichen die Druckfühler 9, 10 eine Messung der Druckdifferenz zwischen dem Eingang des Oxidations-Katalysators 6 und dem Ausgang des Partikelfilters 7. Ein vergleichsweise hoher Druckunterschied ist ein Zeichen dafür, dass der Partikelfilter 7 zugesetzt ist, und dass ein Regenerationsvorgang ausgelöst werden muss. Ein Temperaturfühler 11 ermöglicht die Bestimmung der Temperatur des Gases oberhalb des Partikelfilters 7.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung außerdem einen Additivtank 12, der ein Additiv enthält, welches die Funktion eines NO_X-Fangstoffs haben kann (oder eine Verbindung, die sich während der Verbrennung des Treibstoffs in ein derartiges Additiv umwandelt), und eine Pumpe 13, die auf Befehl dieses Additiv dem im Tank 3 enthaltenen Dieselbrennstoff zuführt, derart, dass sich das Additiv eingeschlossen im Inneren der Rußpartikel, die von dem Motor ausgestoßen werden und die im Inneren des Partikelfilters 7 gefangen sind, befindet.
Die Funktionen der verschiedenen Bestandteile können folgendermaßen zusammengefasst werden:
Der bei niedriger Temperatur (140/150°C) aktive Oxidations-Katalysator 6 hat folgende Funktion:

– Während der Motor mit armer Mischung läuft: a) die CO- und Wasserstoff-Emissionen des Motors in CO₂ umzuwandeln, b) die lösliche organische Fraktion, die zu Partikeln agglomeriert ist (Kohlenwasserstoffe, Wasser, Sulfate...), soweit wie möglich zu reduzieren, c) die NO-Emissionen zu NO₂ zu oxidieren.
– Während der Motor mit reichem Gemisch läuft, den Sauerstoffgehalt der Abgase zu reduzieren, indem die starken Kohlenwasserstoff-Emissionen, die von dem Motor ausgestoßen werden, oxidiert werden.

Der monolithische Partikelfilter 7, der unterhalb des Oxidations-Katalysators 6 positioniert ist, fängt die vom Motor 1 ausgestoßenen Rußpartikel ein. Die Wandungen des Ausgangs für die Abgase sind mit einer Formulierung imprägniert, welche die Reduktion des NO_X durch CO in reichem Milieu ermöglicht (Typ: Rh/Aluminium oder CeZrO_X).
Das Dieselbrennstoff-Zuführsystem 12, 13 ermöglicht die Einführung kleiner Mengen an flüssigem Additiv, welches als "NO_X-Fangstoff" bezeichnet wird, in den Treibstoffbehälter 3. Dieses Additiv liegt in einer mit dem Dieselbrennstoff mischbaren Form vor.
Die chemische Zusammensetzung des Additivs ist definiert, damit in der Verbrennungskammer des Motors 1 geringe Mengen eines Materials vorliegen oder dort gebildet werden, die NO_X während der armen Phase adsorbieren und dieses in Form von NO₂ in der inneren Struktur der Rußpartikel oder in dem Rußbett, das sich auf den porösen Wänden des Partikelfilters 7 bildet, wiederherstellen können.
Während des Betriebs des Motors mit armem Gemisch überführen der oder die Oxidations-Katalysatoren 6, 8, die oberhalb des Partikelfilters 7 angeordnet sind, das CO und die Kohlenwasserstoffe in CO₂ und die NO_X in NO₂; er/sie trägt/tragen außerdem zur Reduktion der löslichen organischen Fraktion der Partikel bei.
Die Partikel beladen sich mit dem NO_X-Fangstoff-Additiv in ihrer Wegstrecke zwischen der Verbrennungskammer und dem Partikelfilter 7, in dem sie zurückgehalten werden. Das NO₂, das in der Verbrennungskammer des Motors 1 gebildet wird oder aus der Umwandlung von NO_X auf den Oxidations-Katalysatoren 6, 8 stammt, wird teilweise durch das NO_X-Fangstoff-Additiv, welches in den Dieselrußen enthalten ist und auf den zugänglichen Kohlenstoff-Partikeln der Dieselruße vorliegt, adsorbiert.
Der Adsorptionsprozess findet bei Umgebungstemperatur bei den Diesel-Rußen und bei über 180/200°C im Inneren des NO_X-Fangstoff-Materials statt, wodurch stabile Nitrate gebildet werden.
Das nicht durch das Additiv adsorbierte NO_X, welches in den Diesel-Rußen enthalten ist, wird von dem rückständigen Additiv, das auf dem Partikelfilter 7 zurückgehalten wird und aus der Verbrennung der Ruße (wie oben beschrieben) stammt, aufgenommen. Nachdem das rückständige NO_X-Fangstoff-Additiv reduziert oder in reicher Phase zersetzt wurde, nimmt es wieder eine Oxid- oder Carbonatform an, die in armer Phase zur NO_X-Adsorption wieder verwendbar ist.
Das rückständige Additiv ist für andere Anwendungen hinderlich, da es lediglich verwendet wird, um die Dieselruße zu oxidieren; es wird somit zur komplementären Katalyse der Abgase, insbesondere zur Nachbehandlung von NO_X, verwendet.
Die NO_X-Speicherkapazität des rückständigen Additivs wächst somit in dem Maße an, wie es in dem Partikelfilter 7 akkumuliert. Dies ist ein Vorteil für die dauerhafte Aufrechterhaltung des Leistungspotentials der NO_X-Nachbehandlung dieses Katalysatortyps, der sehr empfindlich auf Schwefelvergiftung und Temperaturerhöhung (auf 700°C und höher) reagiert.
Die Additiv-Zufuhr durch den Treibstoff-Verbrauch ermöglicht die kontinuierliche Regeneration der Katalysefunktion der NO_X-Eliminierung und die Aufrechterhaltung ihrer Wirksamkeit während der gesamten Betriebsdauer des Motors ohne Leistungsverlust.
Während des Betriebs des Motors mit reichem Gemisch wandeln die Katalysatoren die starken CO- und Kohlenwasserstoff-Emissionen, die aus dem Abbau der Verbrennungsprozesse stammen, um, wodurch der Motor 1 unterhalb des stöchiometrischen Luft/Treibstoff-Verhältnisses leichter funktioniert.
Die Bedingungen der reichen Atmosphäre sind somit erfüllt, so dass sich die im Inneren der Dieselruße gebildeten Nitrate zersetzen und NO ergeben. Die Formulierung des Additivs ermöglicht dann die Umwandlung des gebildeten NO in NO₂ im Inneren der Ruße auf Grund der Gegenwart einer OSC-Funktion.
Der Durchgang in reicher Mischung wird bei einem Temperaturniveau von wenigstens 250 °C durchgeführt; diese Temperatur ist für die Reaktion des NO₂ mit dem Kohlenstoffanteil der Dieselruße geeignet, um sie in Form von CO zu eliminieren.
Die chemische Oxidationsreaktion der Dieselruße ist folgendermaßen: C(Ruße) + NO₂ → CO + NO (1)
Die Motorsteuerung berücksichtigt die Temperatur der Auspuffgase oberhalb des Partikelfilters 7, die durch den Fühler 11 angezeigt wird, und den Akkumulationsgrad der Ruße in dem Partikelfilter 7, der von den Fühlern 9, 10 angezeigt wird, bevor der Durchgang mit reicher Mischung ausgelöst wird. Wenn die Temperatur unter 250°C liegt, veranlasst die Motorsteuerung ein nachträgliches Einspritzen von Treibstoff, um die Abgase bis auf diese Temperatur zu erhitzen.
Das NO, welches aus den verbrauchten Dieselrußen gemäß Reaktion (1) austritt, und das NO, welches aus der Zersetzung der im Inneren des rückständigen Additivs gebildeten Nitrate stammt, werden anschließend durch die FAP-Imprägnierung in den Ausgangskanälen umgewandelt. Das NO wird durch das CO, welches aus dem Abbau des Verbrennungsmotors und aus der Verbrennung der Ruße gemäß (1) stammt, reduziert. Bereiche mit aktivem Rh/Oxiden können diese Reaktion bei 200 bis 250°C gemäß folgender Reaktion ermöglichen: NO + CO → N₂ + CO₂ (2)Das System ermöglicht die Nachbehandlung der vier reglementierten Schadstoffe CO, Kohlenwasserstoffe, NO_X und Partikel auf wirksame und dauerhafte Weise auf Grund seiner geringen Empfindlichkeit gegenüber Schwefel-Vergiftung, wobei die "NO_X-Fangstoff"-Funktion kontinuierlich regeneriert wird.
Das System eröffnet eine größere Toleranz gegenüber der Verwendung von schwefelhaltigem Dieselbrennstoff, wenn auch ein schwa cher Schwefelgehalt des Brennstoffs notwendig bleibt, um eine dauerhafte Oxidationsfunktion in den Oxidationskatalysatoren 6, 8 zu erhalten.
Die Trennung der Funktionen der Oxidation des CO und der Kohlenwasserstoffe von denen der Nachbehandlung von NO_X und der Partikel ermöglicht die Anordnung zweier Träger in dem Partikelfilter 7, einem ersten mit geringer thermischer Trägheit (Wärmeleitwiderstand), der schnell nach einem Kaltstark erhitzt werden kann, und einem zweiten mit starker thermischer Trägheit, was für die Verbrennung der Dieselruße vorteilhaft ist.
Die Katalyse des Partikelfilters 7 für die NO_X-Nachbehandlung in seinen Ausgangskanälen ermöglicht das Freimachen von den Wirkungen der Verschmutzungen der katalytischen Phase durch Additiv-Rückstände oder Rückstände aus der Verbrennung der Schmieröl-Additive oder des Dieselbrennstoffs (Ca(OH)₂, MgO/Mg(OH)₂, Phosphate,...).
Der NO_X-Fangstoff ermöglicht eine bessere Dauerhaftigkeit der NO_X-Reduktionsfunktion, weil seine Formulierung von einem Typ sein kann, der für die Drei-Wege-Katalyse von Benzinmotoren entwickelt wurde, und somit thermisch stabil oberhalb von 1000°C ist. Durch seine Positionierung auf den Ausgangskanälen des Partikelfilters 7 wird keine Beeinträchtigung seiner Haltbarkeit riskiert, auch nicht während unkontrollierter Regenerationen des Partikelfilters 7.
Damit im Innern der Ruße eine wirksame Konzentration des NO_X-Fangstoff-Additivs vorliegt, muss dieses Additiv in dem Treibstoff permanent mit einer ausreichenden Konzentration in der Größenordnung von 10 ppm (bezogen auf die Masse) vorhanden sein. Dennoch darf diese Konzentration nicht zu hoch sein, um keine übermäßige Akkumulation von Rückständen in dem Partikelfilter 7 hervorzurufen, die eine zu häufige Reinigung des Filters erforderlich machen würden. Zu diesem Zweck wird bevorzugt (wie es bereits für das Zufügen anderer Additive zu einem Treibstoff bekannt ist) die Injektionspumpe 13 durch einen Kalkulator gesteuert, der die Zugabe des Additivs aus dem Tank 12 zum Zeitpunkt jedes Auffüllens des Treibstofftanks 3 steuert. Diese Additiv-Zugabe wird in Abhängigkeit der zugefügten Treibstoffmenge, die mit Hilfe eines Eichmaßes bestimmt wird, derart moduliert, dass in dem Treibstoff die gewünschte Additiv-Konzentration aufrechterhalten wird. Der Additiv-Tank 12 wird durch einen Werkstattarbeiter, beispielsweise während der Reinigung des Partikelfilters 7, welche im Allgemeinen alle 80.000 bis 120.00 km stattfindet, aufgefüllt.
In Bezug auf die nicht versetzten Ruße oder die Ruße, die einfach mit Cerium versetzt sind, um ihre Verbrennungstemperatur abzusenken, ermöglicht die Erfindung einerseits das merkliche Herabsetzen der Temperatur, bei der die Verbrennung der Ruße gestartet werden kann (ungefähr 250°C) und andererseits die Beschleunigung dieser Verbrennung.
Somit verbrennen die mit einer Cerin-Zirkon-Mischung und einem Material vom K₂CO₃- oder BaCO₃-Typ versetzten Ruße bei 300°C unter den erfindungsgemäßen Bedingungen, das heißt, mit einem Motor, der im Reichhaltigkeits-Gleichgewicht gesteuert wird, mit einer Geschwindigkeit, die zweimal höher ist als die der Verbrennung der mit Cerium versetzten Ruße im armen Betriebszustand bei 400°C, und achtmal höher ist als die der Verbrennung der nicht versetzten Ruße im armen Betriebszustand.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Imprägnierung des Ausgangs des Partikelfilters 7 mit einer Formulierung, die das Fangen von NO_X ermöglicht, nicht obligatorisch ist. Sie wird jedoch empfohlen, um die Einhaltung der Normen bezüglich NO_X zu gewährleisten. Ebenso ist auch die Gegenwart von Oxidationskatalysatoren 6, 8 nicht streng obligatorisch, sondern lediglich sehr zu empfehlen, um die Kohlenwasser stoff- und CO-Emissionen zu reduzieren und auch, wie gezeigt wurde, NO₂ zu bilden, das zur Oxidation der Ruße beiträgt.
Die Erfindung wurde im Rahmen ihrer Anwendung zur Reinigung von Emissionen eines Dieselmotors beschrieben, sie ist jedoch anwendbar auf die Reinigung von Emissionen anderer Verbrennungsmotor-Typen, bei denen das Problem der periodischen Eliminierung der auf einem Partikelfilter angesammelten Ruße besteht.

Claims

Verfahren zur periodischen Regeneration eines Partikelfilters (7) in einer Auspuffleitung (S) eines Verbrennungsmotors (1) durch Verbrennen der sich darauf absetzenden Rußpartikel, dadurch gekennzeichnet, dass dem Treibstoff, der dem Motor (1) zugeführt wird, ein Additiv vom NO_X-Fangstoff-Typ mit einer maximalen Konzentration von 10 ppm derart zugesetzt wird, dass sich das Additiv gefangen im Innern der Ruße befindet, und dass zum Zeitpunkt der Regeneration des Partikelfilters (7) der Motor (1) im Reichhaltigkeits-Gleichgewicht gemäß wenigstens einer Wechselfolge einer Phase mit armem Gemisch und einer Phase mit reichem Gemisch gesteuert wird, so dass das NO₂ der Auspuffgase während der Phase(n) mit armem Gemisch durch das Additiv adsorbiert wird, und die Rußpartikel während der Phase(n) mit reichem Gemisch durch das adsorbierte NO₂ oxidiert werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Additiv einen Stoff enthält, der sich während der Phasen mit armem Gemisch in ein Nitrat umwandelt.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoff aus K₂CO₃, BaCO₃, Stoffen, die sich während der Verbrennung des Treibstoffs in K₂CO₃ oder BaCO₃ umwandeln, und Mischungen dieser Verbindungen ausgewählt ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Additiv einen Stoff mit starker Sauerstoff-Restitutionsfähigkeit enthält.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoff mit starker Sauerstoff-Restitutionsfähigkeit aus einer Cerin-Zirkon-Mischung und Platin oder einer Mischung dieser Verbindungen ausgewählt ist.
Verfahren gemäß beider Ansprüche 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Additiv eine Mischung aus K₂CO₃, Cerin und Zirkon ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Regeneration des Partikelfilters die Phasen mit armem Gemisch 30s bis 300s und die Phasen mit reichem Gemisch 3s bis 30s andauern.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (1) ein Dieselmotor ist.
Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen, die von einem Verbrennungsmotor (1) stammen, der mit Treibstoff aus einem Tank (3) gespeist wird, wobei die Auspuffleitung (5) einen Partikelfilter (7) aufweist, der die in den Gasen enthaltenen Rußpartikel auffängt, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Tank (12), der ein Additiv vom NO_X-Fangstoff-Typ enthält, Mittel (13) zum Zuführen des Additivs zu dem in dem Tank (3) enthaltenen Treibstoff und Mittel zum Steuern des Betriebs des Motors (1) gemäß einer Wechselfolge von Phasen mit armem Gemisch und Phasen mit reichem Gemisch während der Regenerationsstufen des Partikelfilters (7) aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (7) an seinem Ausgang einen Bereich aufweist, der mit einem Stoff vom NO_X-Fangstoff-Typ imprägniert ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auspuffleitung oberhalb des Partikelfilters (7) wenigstens einen Reaktor (5, 6) aufweist, der einen Oxidationskatalysator enthält.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zum Steuern der Mittel (13) zur Zuführung des Additivs zu dem Treibstoff während des Auffüllens des Treibstofftanks (3) in Abhängigkeit der zugeführten Treibstoffmenge aufweist.