DE10243488A1

DE10243488A1 - Verfahren zum Entfernen von Rußpartikeln aus dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine sowie passive Abgasreinigungseinrichtung

Info

Publication number: DE10243488A1
Application number: DE2002143488
Authority: DE
Inventors: Hermann-Josef Schulte; Carsten Dr. Jutka
Original assignee: HJS Fahrzeugtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: HJS Fahrzeugtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2002-09-19
Filing date: 2002-09-19
Publication date: 2004-04-01

Abstract

Ein Verfahren zum Entfernen von Rußpartikeln aus dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, DOLLAR A - wobei in einem ersten Schritt in dem Abgasstrom enthaltenes Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO¶2¶) oxidiert wird, so dass der Abgasstrom anschließend Stickstoffdioxid enthält, DOLLAR A - wobei in einem weiteren Schritt im Abgasstrom enthaltene Rußpartikel gesammelt werden und DOLLAR A - wobei das in dem Abgasstrom durch die genannte Oxidation enthaltene Stickstoffdioxid zum Oxidieren der gesammelten Rußpartikel durch Reduzieren des Stickstoffdioxids zu Stickstoffmonoxid eingesetzt und diese Oxidation mit einem Stickstoffdioxid-Überschuss durchgeführt wird, DOLLAR A ist dadurch bestimmt, dass dem Schritt des Oxidierens der Rußpartikel nachgeschaltet ein Schritt des Reduzierens des im Abgasstrom verbliebenen Stickstoffdioxids zu Stickstoffmonoxid durchgeführt wird. DOLLAR A Eine passive Abgasreinigungseinrichtung 1 zum Entfernen von Rußpartikeln aus dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einem in dem Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneten Oxidationskatalysator 2 zum Oxidieren von im Abgas enthaltenem Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid und einem dem Oxidationskatalysator 2 in Strömungsrichtung des Abgases nachgeschalteten Partikelfilter 3 zum Herausfiltern von im Abgas enthaltenen Rußpartikeln, ist dadurch bestimmt, dass in Strömungsrichtung der zum Herausfiltern der Rußpartikel wirksamen Oberfläche des Partikelfilters 3 ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von Rußpartikeln aus dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine,

– wobei in einem ersten Schritt in dem Abgasstrom enthaltenes Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO₂) oxidiert wird, so dass der Abgasstrom anschließend Stickstoffdioxid enthält.
– wobei in einem weiteren Schritt im Abgasstrom enthaltene Rußpartikel gesammelt werden und
– wobei das in dem Abgasstrom durch die genannte Oxidation enthaltene Stickstoffdioxid zum Oxidieren der gesammelten Rußpartikel durch Reduzieren des Stickstoffdioxids zu Stickstoffmonoxids eingesetzt und diese Oxidation mit einem Stickstoffdioxid-Überschuss durchgeführt wird.

Ferner betrifft die Erfindung eine passive Abgasreinigungseinrichtung zum Entfernen von Rußpartikeln aus dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine mit einem in dem Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneten Oxidationskatalysator zum Oxidieren von im Abgas enthaltenen Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid und einem dem Oxidationskatalysator in Strömungsrichtung des Abgases nachgeschalteten Partikelfilter zum Herausfiltern von im Abgas enthaltenen Rußpartikeln.

Zum Reinigen der Abgase einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine sind unterschiedliche Verfahren bekannt geworden. Unterschiedliche Verfahren führen auch zu einem unterschiedlichen Reinigungsergebnis. Zu unterscheiden ist bei diesen Verfahren zwischen aktiven Reinigungsverfahren, bei denen eine aktive Prozesssteuerung in Abhängigkeit von bestimmten überwachten Kriterien erfolgt, wobei zusätzlich benötigte Energie kontrolliert eingekoppelt wird, und passiven Systemen, die ohne eine aktive Steuerung betrieben werden. Letztere sind aufgrund der nicht benötigten Steuerglieder und aktive Komponenten, beispielsweise Heizungen oder Brenner, naturgemäß einfacher aufgebaut als aktive Abgasreinigungssysteme. Ein seit vielen Jahren eingesetztes passives Abgasreinigungssystem ist das sogenannten CRT-System (continous regenerating trap) zum Entfernen von Rußpartikeln aus dem Abgasstrom. Bei diesem System wird das im Abgasstrom enthaltene Stickstoffmonoxid (NO) zunächst an einem Oxidationskatalysator zu Stickstoffdioxid (NO₂) oxidiert. Dieses NO₂ wird erzeugt, um ein Oxidationsmittel bereitzustellen, mit dem Rußpartikel oxidiert und somit verbrannt werden können. Zu diesem Zweck ist dem Oxidationskatalysator zum Erzeugen des für die Rußoxidation benötigten NO₂ ein Partikelfilter zum Herausfiltern der Rußpartikel aus dem Abgas-strom in Strömungsrichtung des Abgases dem Oxidationskatalysator nachgeschaltet. Die sich auf der anströmseitigen Oberfläche des Partikelfilters akkumulierenden Rußpartikel werden bei diesem Verfahren kontinuierlich durch das auf die Rußpartikel auftreffende NO₂ oxidiert, wobei die kohlenstoffhaltigen Rußpartikel im wesentlichen zu Kohlendioxid und Wasser umgewandelt werden. Bei diesem Oxidationsprozess wird das als Oxidationsmittel eingesetzte NO₂ zu NO reduziert. Damit auch bei unterschiedlichen Betriebssituationen in jedem Fall ausreichend NO₂ im Abgasstrom zum Bewirken der gewünschten Rußpartikeloxidation vorhanden ist, muss dieses Verfahren mit einem NO₂-Überschuss betrieben werden. Dies hat zur Folge, dass zwangsläufig nicht reduziertes NO₂ an die Umgebung abgegeben wird. Dies ist unerwünscht, da NO₂ giftiger ist als NO. Bereits in geringen Konzentrationen macht sich NO₂ durch einen Chlorgeruch bemerkbar. Zwar ist das bei Einsatz eines solchen Systems an die Umgebung abgegebene Abgas rußbefreit bzw. weitestgehend rußbefreit, jedoch wird quasi an stelle des unerwünschten Rußes nunmehr NO₂ an die Umgebung abgegeben. CRT-Systeme werden derzeit vor allem zum Reinigen der Abgase von Dieselmotoren von Bussen und Lastkraftwagen eingesetzt. Insbesondere in Ballungszentren wo viele derartige Fahrzeuge bewegt werden und eine Luftzirkulation nur untergeordnet stattfindet, ist der Ausstoß von NO₂ unerwünscht.

Auch aus diesem Grunde sind Systeme entwickelt worden, mit denen der NO_x-Anteil im Abgas aus diesem entfernt wird. Beschrieben ist ein solches aktives NO_x-Reinigungssystem beispielsweise EP 0 758 713 B1 oder auch in EP 1 054 722 B1 . Beim Gegenstand des erstgenannten Dokumentes ist dem Dieselpartikelfilter nachgeschaltet entweder ein Reduktionskatalysator oder ein Absorptionsmittel nachgeschaltet. Beide Einrichtungen dienen zum Entfernen von NO_x, entweder durch Speichern desselben oder durch Reduzieren desselben zu Stickstoff. Das in diesem Dokument beschriebene Verfahren arbeitet ohne NO₂-Überschuss, in dem eine Rußoxidation nicht kontinuierlich, sondern intermittierend erfolgt. Eine Rußoxidation wird dann ausgelöst, wenn sich eine bestimmte Rußmenge auf dem Partikelfilter angesammelt hat. Es wird dann im Abgasstrom die zum Oxidieren des Rußes benötigte NO₂-Menge erzeugt, ggf. aus einen Zwischenspeicher beigemengt. Daher werden entsprechende Sensoren und Aktoren benötigt, um dieses System zu betreiben.

Die dem in EP 1 054 722 B1 beschriebenen Verfahren wird das im Abgasstrom nach dem Dieselpartikelfilter enthaltene NO_x in einem selektiven katalytischen Reduktionsverfahren aus dem Abgasstrom entfernt. Als Reduktionsmittel wird Ammoniak eingesetzt, welches zu diesem Zweck zusätzlich in den Abgasstrom eingedüst werden muss. Zum Steuern dieses Systems sind ebenfalls Sensoren und Aktoren notwendig so dass auch dieses System als aktiv zu bezeichnen ist.

Zwar ist mit den beiden beschriebenen aktiven Verfahren neben einer Rußentfernung auch eine Entstickung des Abgases möglich. Dieses ist jedoch nicht in jedem Fall erforderlich. Insbesondere eignen sich diese bekannten aktiven Verfahren nicht zum Nachrüsten von bereits installierten passiven Abgasreinigungssystemen (CRT-Systemen), mit denen lediglich Rußpartikel aus dem Abgasstrom entfernt werden sollen.

Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren sowie eine eingangs genannte passive Abgasreinigungseinrichtung dergestalt weiterzubilden, dass die zu der zuvor beschriebenen passiven Abgasreinigungseinrichtung beschriebenen Nachteile vermieden sind.

Die verfahrensbezogene Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass dem Schritt des Oxidierens der Rußpartikel nachgeschaltet ein Schritt des Reduzierens des im Abgasstrom verbliebenen Stickstoffdioxids zu Stickstoffmonoxid durchgeführt wird.

Die vorrichtungsbezogene Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in Strömungsrichtung der zum Herausfiltern der Rußpartikel wirksamen Oberfläche des Partikelfilters nachgeschaltet eine katalytische Oberfläche zum Reduzieren von im Abgasstrom enthaltenen Stickstoffdioxid zu Stickstoffmonoxid angeordnet ist.

Bei dem beanspruchten Verfahren und entsprechend auch bei der beanspruchten Abgasreinigungseinrichtung wird der NO₂-Überschuss in Strömungsrichtung des Abgases der wirksamen Filteroberfläche des Partikelfilters nachgeschaltet wieder zu Stickstoffmonoxid (NO) reduziert. Das an die Umgebung abgegebene bzw. ausgestoßene Abgas enthält somit kein NO₂ und nur soviel NO, wie durch die Verbrennung des Kraftstoffes verursacht. Als Reduktionsmittel werden zweckmäßigennreise die im Abgasstrom ohnehin enthaltenen und für die gewünschte Reduktion geeigneten Mittel eingesetzt, beispielsweise die im Abgasstrom enthaltenen Kohlenwasserstoffe und/oder das im Abgasstrom enthaltene Kohlenmonoxid. Dabei ist es durchaus möglich, überschüssiges und für die gewünschte NO₂-Reduktion nicht benötigte Reduktionsmittel zwischenzuspeichern. Andererseits ist auch eine Zwischenspeicherung von NO₂ denkbar, bis entsprechende Reduktionsmittel im Abgas vorhanden sind. Die Reduktion kann beispielsweise an einem eigenen Katalysator erfolgen oder auch an einer entsprechend ausgebildeten und/oder dotierten Oberfläche. Diese Oberfläche kann beispielsweise die abströmseitige Oberfläche des Dieselpartikelfilters sein. Als Reduktionskatalysator kann beispielsweise auch ein Einsatz dienen, der in jede abströmseitig offene Filtertasche des Dieselpartikelfilters aus Sintermetall eingesetzt ist. Ein solcher Einsatz kann gleichzeitig als Abstandhalter zum Offenhalten der abströmseitig offenen Filtertaschen dienen. Für den Fall, dass ein eigener Reduktionskatalysator vorgesehen ist, wobei dieser sich ebenfalls als Einsatz in den abströmseitig offenen Filtertaschen des Dieselpartikelfilters befinden kann, kann dieser beispielsweise aus Metall oder aus einem Keramikwerkstoff bestehen.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand der beigefügten 1 nochmals erläutert. 1 zeigt ein schematisiertes Blockdiagramm einer passiven Abgasreinigungseinrichtung zum Entfernen von in dem Abgasstrom eines Dieselmotors enthaltenen Rußpartikeln. Die in der Figur insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Abgasreinigungseinrichtung ist in dem Abgasstrang eines Dieselmotors angeordnet. Die Strömungsrichtung des Abgases ist durch die Pfeile dargestellt. Die Abgasreinigungseinrichtung 1 umfasst einen Oxidationskatalysator 2 zum Oxidieren von in dem Abgasstrom enthaltenem NO zu NO₂. Diese Umsetzung dient zum Bereitstellen einer im Überschuss vorhandenen NO₂-Menge für einen nachfolgenden Oxidationsschritt, bei dem das gebildete NO₂ als Oxidationsmittel eingesetzt wird. Dem Oxidationskatalysator 2 nachgeschaltet ist ein Dieselpartikelfilter 3 zum Sammeln von in dem Abgasstrom enthaltenen Rußpartikeln. Diese sammeln sich auf der anströmseitigen Oberfläche des Dieselpartikelfilters 3. Auf diesen abgelagerten Ruß treffen die NO₂-Moleküle, so dass die Rußpartikel, die überwiegend aus Kohlenstoff bestehen unter Bildung von CO₂ und Wasser oxidieren. In Abhängigkeit von der vorhandenen Rußmenge und der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases wird ein größerer oder kleinerer Anteil des gebildeten NO₂ bei der Rußoxidation zu NO reduziert. In jedem Fall tritt ausgangsseitig aus dem Dieselpartikelfilter 3 überschüssiges NO₂ aus. Dem Dieselpartikelfilter 3 nachgeschaltet ist ein Reduktionskatalysator 4, an dem das im Abgasstrom noch vorhandene NO₂ zu NO reduziert wird. Am Ausgang des Reduktionskatalysators 4 ist in dem Abgasstrom kein NO₂ mehr enthalten. Dieser Abgasstrom ist somit rußbefreit, insbesondere ohne NO₂ zu enthalten. Als Reduktionsmittel zum Durchführen der gewünschten NO₂-Reduktion dienen ohnehin im Abgasstrom vorhandene Kohlenwasserstoffe und/oder das ohnehin enthaltene CO, die bei dem beschriebenen Reduktionsprozess oxidieren.

1: Abgasreinigungseinrichtung
2: Oxidationskatalysator
3: Dieselpartikelfilter
4: Reduktionskatalysator

Claims

Verfahren zum Entfernen von Rußpartikeln aus dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, – wobei in einem ersten Schritt in dem Abgasstrom enthaltenes Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO₂) oxidiert wird, so dass der Abgasstrom anschließend Stickstoffdioxid enthält. – wobei in einem weiteren Schritt im Abgasstrom enthaltene Rußpartikel gesammelt werden und – wobei das in dem Abgasstrom durch die genannte Oxidation enthaltene Stickstoffdioxid zum Oxidieren der gesammelten Rußpartikel durch Reduzieren des Stickstoffdioxids zu Stickstoffmonoxids eingesetzt und diese Oxidation mit einem Stickstoffdioxid-Überschuss durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schritt des Oxidierens der Rußpartikel nachgeschaltet ein Schritt des Reduzierens des im Abgasstrom verbliebenen Stickstoffdioxids zu Stickstoffmonoxid durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Reduzieren des Stickstoffdioxid zu Stickstoffmonoxid im Abgasstrom enthaltene Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenmonoxid verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die im Abgasstrom enthaltenen und als Reduktionsmittel dienenden Kohlenwasserstoffe und/oder das Kohlenmonoxid zwischengespeichert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorgang des Reduzierens des Stickstoffdioxids zu Stickstoffmonoxid an einer katalytischen Oberfläche, etwa einem Katalysator erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren eingesetzt wird, um Rußpartikel aus dem Abgasstrom eines Dieselmotors zu entfernen.
Passive Abgasreinigungseinrichtung zum Entfernen von Rußparti keln aus dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine mit einem in dem Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneten Oxidationskatalysator (2) zum Oxidieren von im Abgas enthaltenen Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid und einem dem Oxidationskatalysator (2) in Strömungsrichtung des Abgases nachgeschalteten Partikelfilter (3) zum Herausfiltern von im Abgas enthaltenen Rußpartikeln, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung der zum Herausfiltern der Rußpartikel wirksamen Oberfläche des Partikelfilters (3) nachgeschaltet eine katalytische Oberfläche zum Reduzieren von im Abgasstrom enthaltenen Stickstoffdioxid zu Stickstoffmonoxid angeordnet ist.
Abgasreinigungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Oberfläche zum Reduzieren des Stickstoffdioxids durch einen Reduktionskatalysator (4) bereitgestellt. ist.
Abgasreinigungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Reduktionskatalysator durch einen in jede abströmseitig offene Tasche eines Partikelfilters aus Sintermetall eingesetzter Einsatz gebildet ist.
Abgasreinigungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Oberfläche zum Reduzieren des Stickstoffdioxids durch eine Beschichtung und/oder Dotierung der abströmseitigen Filterfläche des Partikelfilters gebildet ist.