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WO2018224064A1 - Drei-wege-katalysator - Google Patents

Drei-wege-katalysator Download PDF

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WO2018224064A1
WO2018224064A1 PCT/DE2017/000154 DE2017000154W WO2018224064A1 WO 2018224064 A1 WO2018224064 A1 WO 2018224064A1 DE 2017000154 W DE2017000154 W DE 2017000154W WO 2018224064 A1 WO2018224064 A1 WO 2018224064A1
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WO
WIPO (PCT)
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way catalyst
honeycomb
combustion
metal
catalyst unit
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/DE2017/000154
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Koch
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.)
Individual
Original Assignee
Individual
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 Individual filed Critical Individual
Priority to PCT/DE2017/000154 priority Critical patent/WO2018224064A1/de
Publication of WO2018224064A1 publication Critical patent/WO2018224064A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01NGAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/101Three-way catalysts
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01NGAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
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    • F01N13/009Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features having two or more separate purifying devices arranged in series
    • F01N13/0097Exhaust or silencing apparatus characterised by constructional features having two or more separate purifying devices arranged in series the purifying devices are arranged in a single housing
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    • F01N3/10Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/24Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by constructional aspects of converting apparatus
    • F01N3/30Arrangements for supply of additional air
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M27/00Apparatus for treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture, by catalysts, electric means, magnetism, rays, sound waves, or the like
    • F02M27/02Apparatus for treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture, by catalysts, electric means, magnetism, rays, sound waves, or the like by catalysts
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M37/00Apparatus or systems for feeding liquid fuel from storage containers to carburettors or fuel-injection apparatus; Arrangements for purifying liquid fuel specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines
    • F02M37/22Arrangements for purifying liquid fuel specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines, e.g. arrangements in the feeding system
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a three-way catalytic converter unit for internal combustion engines, which has a first body, is passed through the soot particle-free exhaust gas, and provided with a provided in the first body processing device in which the nitrogen oxides contained in the exhaust gas reduced to nitrogen and burned unburned or partially Components of a fuel to be regenerated.
  • Such three-way catalyst units are well known for gasoline engines. For diesel engines, however, such three-way catalyst units are not usable because these engines do not burn soot particles. In a gasoline engine, the gasoline is completely evaporated and not, as in a diesel engine, burned as a drop.
  • Diesel engines have a high degree of coverage and are widespread, so that these may not be disregarded for reducing the CO 2 emissions in engines. Diesel engines use a combustion process under high compression pressure. In contrast to gasoline engines, the fuel to be burned is not present in a gaseous and / or vaporous state, but in fine droplets.
  • An exhaust gas purification system for diesel engines therefore does not have a lambda 1 system customary in gasoline engines and a purely heterogeneous catalysis of the two stages
  • the degree of glowing coke particles in a combustion process in diesel engines is also referred to as "self-lighting."
  • the coke particles only burn in the combustion mixture until the combustion temperature has become too low, which is why not all the coke particles burn
  • these unburned components of the diesel engine combustion mixture are also the reason why the exhaust gas is not completely converted into a gas. This is why diesel particulate filters are used to develop and incorporate soot filters into diesel engines.
  • the object of the present invention is therefore to develop a three-way catalyst of the type mentioned in such a way that it can also be used for diesel engines.
  • a second main body is provided, which is arranged upstream of the first basic body in a fuel line of the internal combustion engine to avoid particles in the exhaust gas.
  • the second body is a combustion accelerator unit that accelerates combustion by chemically forming organometallic compounds in the fuel so as to avoid the formation of soot particles in the combustion.
  • the formation of the second basic body as a combustion accelerator unit is based on the finding that the activation energy of the oxygen splitting of O 2 to 20, ie the prerequisite for the oxidation reaction, is significantly higher than the activation energy of the reduction of N 2 O, NO and NO 2 to N 2 .
  • the second body is a reaction honeycomb having a spinel structure of at least one metal and rare earths and selectively performing the reduction.
  • This special embodiment of the second basic body is based on the finding that the activation energy of the oxygen cleavage of O 2 to 20 with release of the oxygen at spinel or spinel structures is significantly higher than the energy of the reduction of N 2 O, NO and NO 2 to N 2 .
  • Fig. 1 is a schematic representation of a first body of a three-way catalyst unit according to with a first and second processing device according to the present invention.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a second main body connected upstream of the first main body from FIG. 1 with a combustion accelerator.
  • the system of the three-way catalyst for diesel engines and / or gasoline engines according to the invention consists essentially in that at different locations and separated from each other a Verbrennungsbelixerlocherö for transferring the burned exhaust gas into pure gas without coke particles, a reaction honeycomb for the selective reduction of nitrogen oxides in Exhaust gas through a spinel honeycomb and for activation of this honeycomb with the residues of CO in the exhaust gas and, in a preferred embodiment, a Nachverbrennungswabe with addition of air from the turbocharger, consisting of a honeycomb, such as the reaction honeycomb, but with further oxidation additives, are arranged.
  • a three-way catalyst unit 1 for internal combustion engines and in particular diesel engines are shown schematically.
  • This three-way catalyst unit 1 is designed so that this is indeed intended for diesel engines, but can also be used for gasoline engines.
  • the illustrated in Fig. 1 three-way catalyst unit 1 comprises a catalyst 1.1 and a combustion accelerator 5.1, wherein the catalyst 1.1 is formed in a first base body 3 and the combustion accelerator 5.1 is formed in a second base body 5.
  • the first main body 3 in turn comprises a first processing device 3.1.
  • This first processing device 3.1 can process exhaust particulate-free exhaust gases in a manner known per se and typically in order to reduce nitrogen oxides contained therein to nitrogen and to regenerate unburned or partially burned components of a fuel.
  • the first base body 3 is a catalyst honeycomb with 5% excess of cerium and lanthanum, which on calcination forms a mixed crystal with a relatively small surface area. After dissolution of this mixed crystal formed essentially from acetates or nitrates, these substances react to form a spinel. This spinel is then dissolved in oxalic acid and calcined again. This process is repeated until the surface of the spinel is so large that it can fulfill the function of the first basic body 3. In general, this will be the case if a crystal filament diameter of the spinel is less than 0.000001 m. The spinel or spinel structure is then applied to a metal honeycomb or metal-coated ceramic honeycomb to form the reaction honeycomb therewith.
  • the first base body 3 thus produced then comprises the actual redox catalyst with a selective uptake of the oxygen of the nitrogen oxides and the selective reduction by the CO of the exhaust gas.
  • the second body part 5 is formed with the combustion accelerator 5.1 (FIG. 2).
  • the combustion accelerator 5.1 comprises at least one reactor element 5.2, which is arranged in a fuel line 7 or a fuel filter, for example in a diesel fuel filter.
  • the at least one reactor element 5.2 has a weight of about 0.2 kg each and consists essentially of a metal mesh. This metal mesh is made from a single metal body by a long and one-piece machined chip.
  • the length of such, produced without breakage Drehspans 29 m Preferably, the length of such, produced without breakage Drehspans 29 m.
  • the above dimensions for weight and length are only an example. In other embodiments, other weights and lengths may also be provided for the metal mesh.
  • the metal body from which the spin chip is made has a composition of 70% tin, 34% copper, 5% silver, 0.9% lanthanum corobaltite and 0.1% gold. The spin chip lifted off such a metal body is then folded and twisted until a compact reactor body is created which is about 11 mm long.
  • the width of the lifted lathe is about 7 mm, whereby during folding and twisting care is taken that the "metal bands" (ie the different sections of one and the same metal band) only touch punctually
  • Such a combustion accelerator ensures the optimum flow of fuel and does not dissolve in its structure even after 300,000 to 400,000 km
  • the weight loss by formation of organometallic was measured for each 100,000 km between 10 and 15%.
  • a second processing device 3.2 is provided as a post-combustion honeycomb, which has a metered addition of air from a turbocharger.
  • an air injection device 9 is arranged for blowing in air (or an air mixture) from the turbocharger.
  • the afterburning honeycomb of the second processing device 3.2 has essentially the same structure and is essentially Chen as well as the reduction honeycomb of the first processing device 3.2.
  • a diesel filter of a diesel engine with 1, 2 1 displacement has a filter inner diameter of about 40 mm.
  • the combustion accelerator unit 1.1 (second main body 5) according to the present invention is used in the diesel filters, that is, the metal mesh of the reactor element 5.2 has a metal strip length of 29 m, a belt width of 7 mm and a metal belt weight of 200 g.
  • the metal band consists essentially of tin, copper, silver, spinel and gold.
  • Olefin + tin / silver metal alkane, with laterally attached silver and tin
  • This fuel burns completely and faster, whereby the faster, more complete and also more uniform combustion of the injection timing can be adjusted to later and thereby also nitrogen oxides are reduced.
  • the light-off behavior of the diesel engine improves, and a nailing of the diesel engine disappears over the entire service life of the engine.
  • the exhaust of the diesel engine is now preceded by a three-way catalyst, in which a stainless steel structure, coated with the spinel, according to the composition of the reduction honeycomb (first processing device 3.1) is arranged as the first honeycomb.
  • the temperature resistance of this coating has been measured up to 1 150 ° C.
  • the coating is able to regenerate itself repeatedly in the selective oxygen adsorption.
  • the honeycomb has a diameter of 8 mm and a length of 120 mm.
  • the tangential air blowing device 9 is arranged so that the vortex does not form on the wall, but in the middle.
  • the amount of air is only 1 to 2% of the amount of exhaust gas. Accordingly, the temperature reduction is only 5%.
  • the first base body 3 is provided with an insulating layer to obtain the reaction activity.
  • the air injection device 9, the second processing device 3.2 is arranged as Nachverbrennungswabe. This is just like the reduction honeycomb of the first processing device 3. lausge convey. From the already existing tests of the arrangement according to the invention, there are also advantages for the gasoline engine when a second base body 5 and a second processing device 3.2 are used in the first base body 3.
  • a second base body 5 of 40 mm in diameter and 150 mm in length is used and shockproof stored by a spring anchored in the diesel filter.
  • a spinel-coated structural honeycomb of 150 mm is introduced as the first main body 3 or first processing device 3.1, which is wrapped with a vibration-proof stainless steel grid structure. The injection time is set by 3 ° to later.
  • the distance between the reaction honeycomb (first processing device 3.1) and the post-combustion honeycomb (second processing device 3.2) is 120 mm.
  • a secondary air supply takes place in the middle between the two honeycombs via the air injection device 9 and protrudes 30 mm into the interior.
  • the entire first base body 3 is wrapped with an aluminum oxide insulation of 10 mm thickness and secured with a cover.
  • the afterburning honeycomb has a diameter of 150 mm and is supported by a stainless steel grid structure.
  • the entire first base body 3 is also thermally insulated by an alumina fiber of 10 mm thickness.
  • the post-combustion honeycomb has spinel and additives of noble metals and metal oxides as doping elements.

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Abstract

Eine Drei-Wege-Katalysatoreinheit für Verbrennungsmotoren, die einen ersten Grundkörper aufweist, durch den rußpartikelfreies Abgas hindurchgeleitet wird, und mit einer in dem ersten Grundkörper vorgesehenen Bearbeitungseinrichtung, in der im Abgas enthaltene Stickoxide zu Stickstoff reduziert und un- oder teilverbrannte Bestandteile eines Brennstoffs regeneriert werden, ist gekennzeichnet durch einen zweiten Grundkörper, der zur Vermeidung von Partikeln im Abgas stromaufwärts des ersten Grundkörpers in einer Treibstoffleitung des Verbrennungsmotors angeordnet ist.

Description

D rei- Wege-Kataly sato r
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drei- Wege-Katalysatoreinheit für Verbrennungsmotoren, die einen ersten Grundkörper aufweist, durch den rußpartikelfreies Abgas hindurchgeleitet wird, und mit einer in dem ersten Grundkörper vorgesehenen Bearbeitungseinrichtung, in der im Abgas enthaltene Stickoxide zu Stickstoff reduziert und un- oder teilverbrannte Bestandteile eines Brennstoffs regeneriert werden.
Solche Drei-Wege-Katalysatoreinheiten sind für Benzinmotoren allgemein bekannt. Für Dieselmotoren sind solche Drei-Wege-Katalysatoreinheiten aber nicht verwendbar, da diese Motoren nicht rußpartikelfrei verbrennen. Bei einem Benzinmotor wird das Benzin vollständig verdampft und nicht, wie bei einem Dieselmotor, als Tropfen verbrannt.
Die vorhandenen Drei- Wege-Katalysatoren sind also für Dieselmotoren nicht verwendbar. Dieselmotoren haben einen hohen Deckungsgrad und sind weit verbreitet, so dass zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes bei Motoren auch diese nicht unberücksichtigt bleiben dürfen. Dieselmotoren arbeiten mit einem Verbrennungsverfahren unter hohem Verdichtungsdruck. Im Unterschied zu Benzinmotoren liegt der zu verbrennende Treibstoff nicht in einem gas- und/oder dampfförmigen Zustand, sondern in feinen Tropfen vor. Ein Abgasreinigungssystem für Dieselmotoren verfügt daher nicht über ein bei Benzinmotoren übliches Lambda-1 -System und eine rein heterogene Katalyse der beiden Stufen
Redoxkatalyse der Reduzierung von Stickoxiden mit den unverbrannten Gasbestandteilen der Verbrennung, und
- anschließende Verbrennungsluftzufuhr und Oxidation der unverbrannten Bestandteile am Platinkatalysator. Der Dieselmotor verbrennt mit einem höheren Lambda, das heißt mit einem Luft- überschuss, und verdampft den Treibstoff nicht, sondern versprüht diesen mit hohem Druck zu kleinen Tropfen. Der Luftüberschuss beträgt aber mindestens 30%. Der Verbrennungsvorgang umfasst eine zunehmend schnellere Verbrennung dieser kleinen Tropfen zu winzigen Koksteilchen. Diese winzigen Koksteilchen leuchten dann viel stärker als die verbrennenden Tropfen. Der Grad der leuchtenden Koksteilchen bei einem Verbrennungsvorgang in Dieselmotoren wird auch als das„Eigenleuchten" bezeichnet. Die Koksteilchen verbrennen aber nur so lange in dem Verbrennungsgemisch, bis die Temperatur für die Verbrennung zu niedrig gewor- den ist. Aus diesem Grunde verbrennen nicht alle Koksteilchen, so dass diese für die viel diskutierten Partikelemissionen der Dieselmotoren verantwortlich sind. Diese unverbrannten Anteile des Verbrennungsgemisches der Dieselmotoren sind aber auch die Ursache dafür, dass das Abgas nicht vollständig in ein Gas umgewandelt wird. Aufgrund der unvollständigen Umwandlung in Gas sind die bekannten Hete- rogenkatalysatoren auch nicht in der Lage, diese unverbrannten Anteile nachzuoxi- dieren. Aus diesem Grunde wurden für Dieselmotoren Rußfilter entwickelt und in diese eingebaut.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, einen Drei-Wege-Katalysator der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass dieser auch für Dieselmotoren verwendet werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein zweiter Grundkörper vorgesehen ist, der zur Vermeidung von Partikeln im Abgas stromaufwärts des ers- ten Grundkörpers in einer Treibstoffleitung des Verbrennungsmotors angeordnet ist.
Mithilfe der vorliegenden Erfindung werden zwei Hinderungsgründe für den Einsatz eines für Benzinmotoren üblichen Heterogenkatalysators (Drei-Wege- Katalysator) beseitigt. Diese beiden Gründe liegen zum einen in dem Luftüber- schuss, der die unverbrauchten Gasanteile mit den Stickoxiden reagieren lässt, wie bei dem Benzinmotor, und zum anderen in den Partikeln, die einer Reaktion an einer Wabe unzugänglich sind.
Durch eine Zweiteilung einer Drei- Wege-Katalysatoreinheit in zwei Grundkörper mit jeweils unterschiedlicher Funktion ist es möglich, einen Dieselkraftstoff in einer ersten Stufe derart zu bearbeiten, dass dieser keine unverbrannten Koksteilchen (Partikel) enthält und anschließend in an sich bekannter Weise katalytisch zu bearbeiten. Der erfindungsgernäße Lösungsansatz überwindet die bisher vorliegende Einschätzung in der Fachwelt, dass eine Verminderung der Stickoxide bei einem Dieselmotor durch Katalysatoren unmöglich ist. Bisher wurden Leistungs- und Verbrennungsveränderungen im Zusammenwirken mit dem Rußfilter als Lösung angesehen. Auch ein SCR- Verfahren (SCR = selektive katalytische Reduktion), bei dem Harn- stoff zu dem Verbrennungsgemisch zugesetzt wird, ist im Gegensatz zu Einrichtungen mit konstanten Verbrennungsbedingungen, wie zum Beispiel Kraftwerken, bei Dieselmotoren und deren unterschiedlichen Verbrennungsverhältnissen nur bedingt einsetzbar. Außerhalb der optimalen Verbrennungsbedingungen bilden sich Nebenprodukte, die nachteilig für den dauerhaften Betrieb dieser Technik sind.
Es hat sich nun überraschend gezeigt, dass eine Kombination zweier katalytischer Verbrennungssysteme für den Dieselmotor den Einsatz eines Drei- Wege- Katalysators möglich macht. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass der zweite Grundkörper eine Verbrennungsbeschleunigereinheit ist, die durch chemische Bildung von Metallorganika in dem Treibstoff die Verbrennung so beschleunigt, dass in der Verbrennung die Bildung von Rußpartikeln vermieden wird. Die Ausbildung des zweiten Grundkörpers als Verbrennungsbeschleunigereinheit basiert auf der Erkenntnis, dass die Aktivierungsenergie der Sauerstoffspaltung von O2 zu 20, also die Voraussetzung für die Oxidationsreaktion, deutlich höher liegt als die Aktivierungsenergie der Reduktion des N2O, NO und NO2 zu N2.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass der zweite Grundkörper eine Reaktionswabe ist, die eine Spinellstruktur von wenigstens einem Metall und Seltene Erden aufweist und die Reduktion selektiv durchführt.
Dieser speziellen Ausbildung des zweiten Grundkörpers liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Aktivierungsenergie der Sauerstoffspaltung von O2 zu 20 unter Abgabe des Sauerstoffs an Spinelle oder Spinellstrukturen deutlich höher liegt als die Energie der Reduktion des N2O, NO und NO2 zu N2.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den weiteren Merkmalen der Unteransprüche.
Eine Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Grundkörpers einer Drei-Wege- Katalysatoreinheit gemäß mit einer ersten und zweiten Bearbeitungseinrichtung gemäß vorliegender Erfindung; und
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines dem ersten Grundkörper aus Fig. 1 vorgeschalteten zweiten Grundkörpers mit einem Verbrennungsbeschleuniger.
Das System des erfindungsgemäßen Drei- Wege-Katalysators für Dieselmotoren und/oder Benzinmotoren besteht im Wesentlichen darin, dass an unterschiedlichen Stellen und getrennt voneinander eine Verbrennungsbeschleunigereinheit zur Überfuhrung des verbrannten Abgases in reines Gas ohne Kokspartikel, eine Reaktions- wabe zur selektiven Reduktion der Stickoxide im Abgas durch eine Spinellwabe und zur Aktivierung dieser Wabe mit den Resten an CO in dem Abgas sowie, in einer bevorzugten Ausfuhrungsform, eine Nachverbrennungswabe mit Zudosierung von Luft aus dem Turbolader, bestehend aus einer Wabe, wie die Reaktionswabe, jedoch mit weiteren Oxidationszusätzen, angeordnet sind. In Fig. 1 und Fig. 2 sind schematisch eine Drei- Wege-Katalysatoreinheit 1 für Verbrennungsmotoren und insbesondere Dieselmotoren dargestellt. Diese Drei- Wege- Katalysatoreinheit 1 ist so konzipiert, dass diese zwar für Dieselmotoren bestimmt ist, aber auch für Benzinmotoren verwendet werden kann. Die in Fig. 1 dargestellte Drei- Wege-Katalysatoreinheit 1 umfasst einen Katalysator 1.1 und einen Verbren- nungsbeschleuniger 5.1, wobei der Katalysator 1.1 in einem ersten Grundkörper 3 ausgebildet ist und der Verbrennungsbeschleuniger 5.1 in einem zweiten Grundkörper 5 ausgebildet ist. Der erste Grundkörper 3 umfasst wiederum eine erste Bearbeitungseinrichtung 3.1. Diese erste Bearbeitungseinrichtung 3.1 kann in an sich bekannter und typischer Weise rußpartikelfreie Abgase bearbeiten, um darin enthalte- ne Stickoxide zu Stickstoff zu reduzieren und un- oder teilverbrannte Bestandteile eines Brennstoffs zu regenerieren. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Grundkörper 3 eine Katalysatorwabe aus
Figure imgf000007_0001
mit 5% Uberschuss an Cer und Lanthan, die bei der Kalzinierung ein Mischkristall mit relativ kleiner Oberfläche bildet. Nach Auflösung dieses aus im Wesentlichen aus Acetaten oder Nitraten gebildeten Mischkristalls reagieren diese Stoffe zu einem Spinell. Dieser Spinell wird anschließend in Oxalsäure aufgelöst und wieder kalziniert. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis die Oberfläche des Spinells so groß ist, dass diese die Funktion des ersten Grundkörpers 3 erfüllen kann. In der Regel wird das der Fall sein, wenn ein Kristallfadendurchmesser des Spinells weniger als 0,000001 m beträgt. Der Spinell bzw. die Spinellstruktur wird dann auf einer Metallwabe oder einer mit Metall beschichteten Keramikwabe aufgebracht, um mit dieser zusammen die Reaktionswabe zu bilden. Auf diese Weise entsteht ein wärmeleitender Kontakt zu dem Katalysator an sich. Der so hergestellte erste Grundkörper 3 umfasst dann den eigentlichen Redoxkatalysator mit einer selektiven Aufnahme des Sauerstoffs der Stickoxide und der selektiven Reduktion durch das CO des Abgases. Stromaufwärts des ersten Grundkörpers 3 ist der zweite Gnindkörper 5 mit dem Verbrennungsbeschleuniger 5.1 ausgebildet (Fig. 2). Der Verbrennungsbeschleuniger 5.1 umfasst wenigstens ein Reaktorelement 5.2, das in einer Treibstoffleitung 7 bzw. einem Treibstofffilter, zum Beispiel in einem Dieselkraftstofffilter, angeordnet ist. Das wenigstens eine Reaktorelement 5.2 hat ein Gewicht von jeweils etwa 0,2 kg und besteht im Wesentlichen aus einem Metallgeflecht. Dieses Metallgeflecht wird durch einen langen und einstückig hergestellten Drehspan aus einem einzigen Metallkörper hergestellt. Vorzugsweise beträgt die Länge eines solchen, ohne Bruchstelle hergestellten Drehspans 29 m. Die vorgenannten Maße für Gewicht und Länge sind nur als Beispiel zu verstehen. In anderen Ausführungsformen können auch andere Gewichte und Längen für das Metallgeflecht vorgesehen sein. Der Metallkörper, aus dem der Drehspan hergestellt wird, hat eine Zusammensetzimg von 70% Zinn, 34% Kupfer, 5% Silber, 0,9% LanthanCerKobaltit und 0,1% Gold. Der von einem solchen Metallkörper abgehobene Drehspan wird dann gefaltet und ver- dreht, bis ein kompakter Reaktorkörper entsteht, der etwa 1 15 mm lang ist. Die Breite des abgehobenen Drehspans beträgt etwa 7 mm, wobei bei der Faltung und Verdrehung darauf geachtet wird, dass sich die„Metallbänder" (d.h. die verschiedenen Abschnitte ein und desselben Metallbandes) nur punktmäßig berühren. Ein solcher Verbrennungsbeschleuniger gewährleistet den optimalen Durchfluss von Treibstoff und löst sich in seiner Struktur auch nach 300.000 bis 400.000 km nicht auf. Die Gewichtsabnahme durch Bildung von Metallorganika wurde für je 100.000 km zwischen 10 und 15% gemessen.
Fig. 1 zeigt auch, dass stromabwärts der ersten Bearbeitungseinrichtung 3.1 eine zweite Bearbeitungseinrichtung 3.2 als Nachverbrennungswabe vorgesehen ist, die eine Zudosierung von Luft aus einem Turbolader aufweist. Zwischen der ersten Bearbeitungseinrichtung 3.1 und der zweiten Bearbeitungseinrichtung 3.2 ist eine Luft-Einblaseinrichtung 9 zum Einblasen von Luft (oder einem Luftgemisch) aus dem Turbolader angeordnet. Die Nachverbrennungswabe der zweiten Bearbei- tungseinrichtung 3.2 ist im Wesentlichen genauso aufgebaut und wird im Wesentli- chen genauso hergestellt wie die Reduktionswabe der ersten Bearbeitungseinrichtung 3.2.
Um einen Bezug zur Praxis herzustellen, wird die Drei- Wege-Katalysatoreinheit gemäß vorliegender Erfindung im Folgenden für einen 1,2 1 Dieselmotor näher beschrieben:
Ein Dieselfilter eines Dieselmotors mit 1 ,2 1 Hubraum hat einen Filterinnendurchmesser von etwa 40 mm. In den Dieselfilter wird die Verbrennungsbeschleuni- gereinheit 1.1 (zweiter Grundkörper 5) gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt, das heißt, das Metallgeflecht des Reaktorelements 5.2 hat eine Metallbandlänge von 29 m, eine Bandbreite von 7 mm und ein Metallbandgewicht von 200 g. Das Metallband besteht im Wesentlichen aus Zinn, Kupfer, Silber, Spinell und Gold. Durch das Einsetzen der Verbrennungsbeschleunigereinheit des zweiten Grundkörpers 5 in den Dieselfilter wird dieser zu einem Reaktor für die Verbrennungsbeschleunigung und vollständigen Verhinderung des Auftretens von Rußpartikeln im Abgas umgestaltet. Die Lebensdauer des so umgebauten Dieselfilters wird mit etwa 100.000 km angesetzt. Das so gebildete Reaktorelement hat in dieser Zeit etwa 30 g an Substanz verloren. Der Grund dafür liegt in der Bildung von Metallorganika aus der Reaktion mit den Olefinen in der folgenden Additionsreaktion:
Olefin + Zinn/Silber = Metall-Alkan, mit seitlich angelagertem Silber und Zinn Dieser Brennstoff verbrennt vollständig und schneller, wobei durch die schnellere, vollständigere und auch gleichmäßigere Verbrennung der Einspritzzeitpunkt auf später verstellt werden kann und dadurch auch Stickoxide vermindert werden. Das Anspringverhalten des Dieselmotors wird besser und ein Nageln des Dieselmotors verschwindet über die gesamte Lebensdauer des Motors. Dem Auspuff des Dieselmotors wird nun ein Drei-Wege- Katalysator vorgeschaltet, in dem als erste Wabe eine Edelstahlstruktur, beschichtet mit dem Spinell, entsprechend der Zusammensetzung der Reduktionswabe (erste Bearbeitiingseinrichtung 3.1), angeordnet ist. Die Temperaturfestigkeit dieser Beschichtung ist bis 1 150°C gemessen worden. Durch die spätere Einspritzung des Motors ist die Beschichtung in der Lage, sich in der selektiven Sauerstoffadsorption immer wieder zu regenerieren. Die Wabe hat beispielsweise einen Durchmesser von 8 mm und eine Länge von 120 mm. Nach diesem selektiven Reduktionskatalysator ist die tangentiale Luft- Einblaseinrichtung 9 so angeordnet, dass sich der Wirbel nicht an der Wand, sondern in der Mitte bildet. Die Luftmenge beträgt nur 1 bis 2% der Abgasmenge. Dementsprechend beträgt die Temperaturabsenkung nur 5%. Der erste Grundkörper 3 ist mit einer Isolationsschicht versehen, um die Reaktionsaktivität zu erhalten.
Der Luft-Einblaseinrichtung 9 ist die zweite Bearbeitungseinrichtung 3.2 als Nachverbrennungswabe angeordnet. Diese ist ebenso wie die Reduktionswabe der ersten Bearbeitungseinrichtung 3. lausgebildet. Aus den bereits vorliegenden Tests der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich auch Vorteile für den Benzinmotor, wenn ein zweiter Grundkörper 5 und eine zweite Bearbeitungseinrichtung 3.2 im ersten Grundkörper 3 eingesetzt werden.
Ein weiteres Beispiel für die praktische Umsetzung ist der Einbau des erfindungs- gemäßen Drei- Wege-Katalysators in einen 1,7 1 Dieselmotor. In einem Dieselfilter mit einem Innendurchmesser von 40 mm und einer Länge von 120 mm des Filterelements wird ein zweiter Grundkörper 5 von 40 mm Durchmesser und 150 mm Länge eingesetzt und durch eine Feder, die in dem Dieselfilter verankert, stoßsicher gelagert. In einem Auspuff mit einem Durchmesser von 120 mm wird als erster Grundkörper 3 bzw. erste Bearbeitungseinrichtung 3.1 eine spinellbeschichtete Strukturwabe von 150 mm eingebracht, die umwickelt ist mit einer rüttelsicheren Edelstahlgitterstruktur. Der Einspritzzeitpunkt wird um 3° auf später eingestellt.
Der Abstand zwischen der Reaktionswabe (erste Bearbeitungseinrichtung 3.1) und der Nachverbrennungswabe (zweite Bearbeitungseinrichtung 3.2) beträgt 120 mm. Eine Sekundärluftzufuhr erfolgt in der Mitte zwischen den beiden Waben über die Luft- Einblaseinrichtung 9 und ragt 30 mm in den Innenraum. Der gesamte erste Grundkörper 3 ist mit einer Aluminiumoxidisolation von 10 mm Dicke umwickelt und mit einer Abdeckung gesichert.
Die Nachverbrennungswabe hat einen Durchmesser von 150 mm und ist mit einer Edelstahlgitterstruktur gehaltert. Der gesamte erste Grundkörper 3 ist auch hier durch eine Aluminiumoxidfaser von 10 mm Dicke wärmeisoliert. Die Nachverbrennungswabe hat als Dotierungselemente den Spinell und Zusätze an Edelmetallen und Metalloxiden.
Bezugszeichenliste
1 Katalysatoreinheit
1.1 Katalysator
3 erster Grundkörper mit Reaktionswabe
3.1 erste Bearbeitungseinrichtung/Reaktionswabe
3.2 zweite Bearbeitxmgseinrichtung/Nachverbrennungswabe
5 zweiter Grundkörper mit Verbrennungsbeschleuniger
5.1 Verbrennungsbeschleuniger
5.2 Reaktorelement
7 Treibstoffleitung/Treibstofffilter
9 Luft-Einblaseinrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Dreiwegekatalysatoreinheit (1) für Verbrennungsmotoren, die einen ersten Grundkörper (3) aufweist, durch den rußpartikelfreies Abgas hindurchgeleitet wird, und mit einer in dem ersten Grundkörper (3) vorgesehenen Bearbeitungseinrichtung (3.1), in der im Abgas enthaltene Stickoxide zu Stickstoff reduziert und un- oder teilverbrannte Bestandteile eines Brennstoffs regeneriert werden,
gekennzeichnet durch
einen zweiten Grundkörper (5), der zur Vermeidung von Partikeln im Abgas stromaufwärts des ersten Grundkörpers (3) in einer Treibstoffleitung (7) des Verbrennungsmotors angeordnet ist.
2. Dreiwegekatalysatoreinheit nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der zweite Grundkörper (5) eine Verbrennungsbeschleunigereinheit (5.1) umfasst, die durch chemische Bildung von Metallorganika in dem Treibstoff die Verbrennung so beschleunigt, dass in der Verbrennung die Bildung von Rußpartikeln vermieden wird.
Drei wegekatalysator nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Grundkörper
(3) eine erste Bearbeitungseinrichtung (3.1) als Reaktionswabe umfasst, die eine Spinellstruktur von wenigstens einem Metall und Seltene Erden aufweist und die Reduktion selektiv durchfuhrt.
4. Dreiwegekatalysatoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der zweite Grundkörper (5) ein Metallgeflecht umfasst, das einstückig hergestellt ist.
5. Dreiwegekatalysatoreinheit nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das einstückige Metallgeflecht ein Drehspan aus einem Metallband ist, das zu einem kompakten Reaktorelement (5.2) gefaltet und verdreht ist.
6. Dreiwegekatalysatoreinheit nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine wechselseitige Berührung des zu dem kompakten Reaktorelement (5.2) gefalteten und verdrehten Metallbandes mit sich selbst punktförmig ist.
7. Dreiwegekatalysatoreinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Spinellstruktur auf einer Metallwabe oder einer mit Metall beschich teten Keramikwabe aufgebracht ist und mit dieser die Reaktionswabe bildet.
8. Dreiwegekatalysatoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass in dem ersten Grundkörper (3) eine zweite Bearbeitungseinrichtung (3.2) als Nachverbrennungswabe vorgesehen ist, vor der eine Luft- Einblaseinrichtung (9) für eine Zudosierung von Luft aus einem Turbolader angeordnet ist.
9. Dreiwegekatalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der zweite Grundkörper (5) mit dem Verbrennungsbeschleuniger (5.1) in einer Treibstoffleitung oder einem Treibstofffilter (77) angeordnet ist.
10. Dreiwegekatalysator nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der erste Grundkörper (3) in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors angeordnet ist.
1 1. Dreiwegekatalysatoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Brennstoff ein Dieselöl ist.
12. Dreiwegekatalysatoreinheit nach Anspruch 1 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Brennstoff Benzin oder ein Benzingemisch ist.
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