DE102005033118A1

DE102005033118A1 - Katalysatorsystem für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102005033118A1
Application number: DE102005033118A
Authority: DE
Inventors: Frank Dr. Arndt; Jens Dahl Dr. Jensen; Ursus Dr. Krüger; Hendrik Dr. Rönsch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-07-11
Filing date: 2005-07-11
Publication date: 2007-01-25
Anticipated expiration: 2025-07-12
Also published as: EP1904728B1; WO2007006784A1; DE102005033118B4; DE502006002028D1; ATE413522T1; US20080209896A1; EP1904728A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Katalysatorsystem für einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder und/oder Kolben und ist dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator in Form von Nanopartikeln auf dem Zylinder und/oder Kolben angeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Verbrennungsmotoren und insbesondere Verbrennungsmotoren, bei denen Zylinder und/oder Kolben zum Einsatz kommen.
Bei modernen Verbrennungsmotoren, insbesondere im Automobilbereich, wird inzwischen dem Problem der Entfernung von unerwünschten Komponenten aus dem Verbrennungsgas große Aufmerksamkeit geschenkt. Hierbei werden üblicherweise Katalysatoren eingesetzt, die auf der Abgasseite des Motors angeordnet sind. Jedoch sind diese Katalysatoren meist nur bei verminderten Temperaturen aktiv, so dass beim Start des Motors die Effizienz meist gering ist. Außerdem neigen Katalysatoren, die abgasseitig angeordnet sind, zu erhöhter Korrosion, und die Leistung vermindert sich durch Ablagerung von chemischen Komponenten oder schlicht durch mechanische Abnutzung.

Aus dem Abstract der JP 11223122 A ist es z.B. bekannt, den Katalysator direkt in den angrenzenden Auslasstrackt des Zylinders für Verbrennungsgase einzubringen. Alternativ kann auch eine Katalysatorbeschichtung vorgesehen werden, die auf dem Kolben oder den Zylinderinnenwänden aufgebracht ist, so dass diese Beschichtung im durch den Zylinder und den Kolben gebildeten Verbrennungsraum aktiv wird.

Es ist daher die Aufgabe, ein Katalysatorsystem für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, der eine vergleichsweise gute Effizienz bei jeder Betriebssituation des Motors verbunden mit einer langen Leistungsdauer aufweist.

Diese Aufgabe wird durch ein Katalysatorsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Demgemäß wird ein Katalysatorsystem für einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder und/oder Kolben bereitgestellt, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass der Katalysator in Form von Nanopartikeln auf dem Zylinder und/oder Kolben angeordnet ist.

Unter Nanopartikel im Sinne der vorliegenden Erfindung werden insbesondere Partikel verstanden, die eine oder mehr der folgenden Eigenschaften aufweisen:

– eine Form mit Durchmessern zwischen ≥ 5 und ≤ 500 nm
– eine katalytisch aktive Oberfläche
– eine Materialzusammensetzung, die aus Metall, Keramik Glas, Kunststoff oder aus Mischungen der genannten Materialien besteht, wie z.B. Metall- Keramik oder Polymer-Keramik
– funktionalisierte Oberflächen
– Ein „Core-Shell" (d.h. ein Kern mit einer Hülle) oder ein Multi-Schicht-Aufbau.

Durch die Anordnung der Nanopartikel auf dem Zylinder und/oder Kolben ergeben sich u. a. mindestens einer der folgenden Vorteile:

– Die Effizienz des Verbrennungsmotors wird dadurch gesteigert, dass der Katalysator im Verbrennungsraum angeordnet ist und somit auch beim Anfahren des Motors bei optimaler Temperatur arbeiten kann.
– Durch die Anordnung auf dem Zylinder kann eine effizientere und saubere Katalyse erreicht werden; dadurch sind insbesondere auch längere Laufzeiten des Katalysators erzielbar.
– Dadurch, dass der Katalysator in Form von Nanopartikeln bereitgestellt wird, ist eine höhere Katalyserate pro Gewicht an eingesetztem Katalysator verglichen mit Katalysatoren nach dem Stand der Technik erreichbar.
– Dadurch, dass abgasseitig kein extra Katalysatorraum bereitgestellt werden muss, kann eine kompaktere Bauweise erreicht werden, was z.B. einen Einsatz des Katalysatorsystems auch bei Motorsägen oder kleineren Fahrzeugen wie Mopeds oder Mofas erlaubt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Nanopartikel in Nanopartikelröhren, welche eine Form etwa von länglichen Röhren besitzen, vorgesehen und/oder angeordnet. Diese Anordnung hat sich als besonders effizient erwiesen, da so eine besonders gute Katalyseeffizienz erreichbar ist. Bevorzugt sind die Nanopartikel in Aluminiumoxid-Poren vorgesehen und/oder angeordnet bzw. die Nanopartikelrören sind in Form von Aluminiumoxid-Poren ausgebildet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der mittlere Durchmesser der Nanopartikelröhren ≥ 5 nm und ≤ 100 nm. Dadurch kann die Katalyseeffizienz nochmals erhöht werden. Bevorzugt beträgt der mittlere Durchmesser der Nanopartikelröhren ≥ 10 nm und ≤ 50 nm, noch bevorzugt ≥ 12 nm und ≤ 40 nm, sowie am meisten bevorzugt ≥ 15 nm und ≤ 20 nm.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die mittlere Länge der Nanopartikelröhren ≥ 5 μm und ≤ 50 μm. Durch eine solche Länge der Nanopartikelröhren wird die Absorption an die Nanopartikel erhöht und es kommt zu einer besseren Katalyse. Bevorzugt beträgt die mittlere Länge der Nanopartikelröhren ≥ 10 μm und ≤ 30 μm, noch bevorzugt ≥ 25 μm und ≤ 25 μm.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt das Verhältnis von Durchmesser zur mittlere Länge der Nanopartikelröhren ≥ 1:300 und ≤ 1:1500. Dies hat sich in der Praxis als besonders vorteilhaft herausgestellt. Bevorzugt beträgt das Verhältnis von Durchmesser zur mittlere Länge der Nanopartikelröhren ≥ 1:500 und ≤ 1:1200, noch bevorzugt ≥ 1:800 und ≤ 1:1000.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der mittlere Abstand zwischen zwei benachbarten Nanopartikelröhren eines Clusters ≥ 15 nm und ≤ 20 nm. So wird eine gute Katalyseeffizienz bei gleichzeitiger Stabilität der Nanopartikel erreicht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Nanopartikel im wesentlichen aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe umfassend Pt, Pd, Rh, Ir, Co, Ni, Cu Ag, Au, Ru, Ir, Os, Re und Mischungen daraus. Diese Materialien haben sich in der Praxis als die besten Materialien für die vorliegende Erfindung erwiesen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Nanopartikel im Wesentlichen über den gesamten Temperaturbereich von ≥ 600 °C und ≤ 800 °C temperaturstabil.

Dadurch wird ein langer Einsatz in Verbrennungsmotoren erreicht. „Im wesentlichen" im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet ≥ 50%, bevorzugt ≥ 70% sowie am meisten bevorzugt ≥ 90%. Bevorzugt sind die Nanopartikel im wesentlichen über den gesamten Temperaturbereich von ≥ 400 °C und ≤ 900 °C, bevorzugt von ≥ 200 °C und ≤ 1000 °C temperaturstabil.

Unter „temperaturstabil" im Sinne der vorliegenden Erfindung wird insbesondere verstanden, dass die genannten Materialien über den Temperaturbereich mechanisch stabil bleiben und/oder sich die Festigkeit über den Temperaturbereich nicht wesentlich ändert.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt das Oberfläche/Volumenverhältnis der Nanopartikel (auf einer Nanometer-Skala) von ≥ 1:1 und ≤ 1:5. Dadurch wird eine nochmals erhöhte Katalyseeffizienz erreicht. Bevorzugt beträgt das Oberfläche/Volumenverhältnis der Nanopartikel von ≥ 1:1,5 und ≤ 1:4, noch bevorzugter ≥ 1:2 und ≤ 1:35, sowie am meisten bevorzugt ≥ 1:25 und ≤ 1:3.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Nanopartikel an die Oberflächenstruktur des Zylinders und/oder Kolbens angepasst.

Unter „angepasst" im Sinne der vorliegenden Erfindung wird insbesondere verstanden, dass die Nanopartikel eine Form und Größe besitzen, die in die Aluminumoxid-Poren gemäß der im folgenden beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung einlagerbar sind und/oder sich darin einlagern.

Die Erfindung bezieht sich ausserdem auf ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysatorsystems, welches wie oben beschriebene Nanopartikel enthält und wobei der Zylinder im Wesentlichen aus Aluminium besteht. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel während des Eloxierens des Aluminiums zugegeben werden und sich in die Oberflächenstruktur des Zylinders einlagern.

Für den Fall, dass der Zylinder im Wesentlichen aus Aluminium besteht, hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die Nanopartikel während des Eloxieren des Aluminiums zuzugeben. Beim Eloxiervorgang wird die Oberfläche des Aluminiums zu Aluminiumoxid oxidiert, wodurch sich eine nicht unwesentliche Vergrößerung des Volumens, etwa im Bereich von 20% ergibt. Die damit einhergehende Veränderung der Struktur bewirkt eine Einlagerung der Nanopartikel.

Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der – beispielhaft – ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Katalysatorsystems dargestellt sind. In der einzigen Zeichnung zeigt:
1 eine schematische, perspektivische Darstellung mit teilweiser Schnittansicht eines Ausschnitts der Oberfläche eines – sehr stark idealisierten – Katalysatorsystems gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung
1 zeigt eine schematische, perspektivische Darstellung mit teilweiser Schnittansicht eines Ausschnitts der Oberfläche eines – sehr stark idealisierten – Katalysatorsystems 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. In diesem Katalysatorsystem ist die Oberfläche eines Aluminiumzylinders 30 durch Eloxieren oxidiert worden, sodass sich hexagonale Zellen 10 aus Aluminiumoxid bilden. Es sei angemerkt, dass die regelmäßige Anordnung gemäß der Figur eine sehr stark idealisierte Darstellung ist; in der Realität werden sich die Durchmesser, die Dicke sowie die Anordnung der einzelnen Zellen 10 voneinander abweichen und eine statistische Verteilung bilden.
Wie in der Figur zu sehen ist, bilden sich innerhalb der einzelnen Zellen verschiedene Poren 20, die längliche Röhren (= die wie oben beschriebenen Nanopartikelröhren) bilden. Vor dem Eloxieren wurden nun Nanopartikel gemäß der vorliegenden Erfindung zugegeben, die sich (im Bild nicht gezeigt) in statistischer Weise innerhalb dieser Nanopartikelröhren anordnen und für den gewünschten erfindungsgemäßen Effekt sorgen. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Nanopartikelröhren die oben beschriebenen Merkmale hinsichtlich Länge, Durchmesser sowie des Verhältnisses zwischen Durchmesser und Länge aufweisen.

Claims

Katalysatorsystem für einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem einen Verbrennungsraum bildenden Zylinder und/oder Kolben, wobei der Katalysator in Form von Nanopartikeln in dem Zylinder und/oder auf dem Kolben auf den Verbrennungsraum begrenzenden Wandteilen angeordnet ist.
Katalysatorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel in Nanopartikelröhren, welche eine Form etwa von länglichen Röhren besitzen, vorgesehen und/oder angeordnet sind
Katalysatorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Durchmesser der Nanopartikelröhren ≥ 5 nm und ≤ 100 nm beträgt.
Katalysatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Länge der Nanopartikelröhren ≥ 5 μm und ≤ 50 μm beträgt.
Katalysatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Abstand zwischen zwei benachbarten Nanopartikelröhren ≥ 15 nm und ≤ 20 nm beträgt.
Katalysatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel im wesentlichen aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe umfassend Pt, Pd, Rh, Ir, Co, Ni, Cu Ag, Au, Ru, Ir, Os, Re und Mischungen daraus bestehen.
Katalysatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel im Bereich von ≥ 600 °C und ≤ 800 °C temperaturstabil sind.
Katalysatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberfläche/Volumenverhältnis (auf einer Nanometer-Skala) der Nanopartikel von ≥ 1:1 und ≤ 1:5 beträgt.
Katalysatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel an die Oberflächenstruktur des Zylinders und/oder Kolbens angepasst sind.
Verfahren zum Herstellen eines Katalysatorsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Zylinder im wesentlichen aus Aluminium besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel während des Eloxierens des Aluminiums zugegeben werden und sich in die Oberflächenstruktur des Zylinders einlagern.