DE19806062A1

DE19806062A1 - Reduktionskatalysator und Verfahren zur Reinigung dieselmotorischen Abgases

Info

Publication number: DE19806062A1
Application number: DE1998106062
Authority: DE
Inventors: Ronald Neufert; Klaus Wenzlawski; Dietmar Weisensel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-02-13
Filing date: 1998-02-13
Publication date: 1999-08-19

Description

Die Erfindung betrifft einen Reduktionskatalysator und ein Verfahren zur Reinigung dieselmotorischen Abgases.

Bei der Verbrennung von Kraftstoffen entsteht bekanntlich eine Vielzahl unterschiedlicher Schadstoffe, die durch geeig nete Katalysatoren mit mehr oder weniger spezifisch wirkenden Aktivmassen entfernt oder zumindest reduziert werden. So wer den beispielsweise zur Entfernung von Kohlenwasserstoffen oder Stickoxiden Aktivmassen verwendet, deren maximale Um setzrate erst bei erhöhten Temperaturen erreicht wird. Im Falle eines Kaltstartes hat der Abgaskatalysator seine opti male Betriebstemperatur noch nicht erreicht. Während der Leerlaufphase eines Motors tritt eine Abkühlung des Abgaska talysators ein. Die Reinigungswirkung üblicher Aktivmassen ist in den genannten Füllen verringert und dementsprechend der die Umwelt belastende Schadstoffausstoß erhöht. Bei in vielen Ländern geforderten Abgasuntersuchungen werden die Te stergebnisse dadurch verfälscht, daß während der Untersuchung der Abgaskatalysator seine optimale Arbeitstemperatur nicht mehr besitzt oder noch nicht erreicht hat.

In DE 43 40 650 A1 ist ein Adsorbens beschrieben, mit dem Kohlenwasserstoffe und insbesondere Ethylen aus dem Abgas ei nes Verbrennungsmotores während der Kaltphase durch Chemie sorption entfernbar ist. Das Adsorbens weist Palladium und ein Zeolith als Aktivkomponenten auf. In DE 44 03 367 A1 ist ein Adsorbens für Stickoxide und ein Verfahren zum Entfernen von Stickoxiden aus Abgasen mit geringer Stickoxidkonzentra tion beschrieben. Auf einem Träger ist als aktiver Bestand teil ein Edelmetall abgeschieden, das Platin, Gold, Ruthe nium, Rhodium, Palladium und/oder eine Verbindung davon ist. Weiterhin ist ein alternatives Adsorbens beschrieben, das zu mindest ein Edelmetall, das Platin, Gold, Ruthenium, Rhodium, Palladium und/oder eine Verbindung davon ist und ein Oxid von zumindest einem Schwermetall aus der Gruppe Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Zink und Blei enthält. Bekannt sind schließlich auch Verfahren, bei denen beheizbare Katalysato ren eingesetzt werden. Während der Kaltphasen wird der Abgas katalysator bzw. das gesamte Abgaskatalysatorsystem durch eine externe Heizung auf die optimale Arbeitstemperatur der jeweiligen Aktivmassen erwärmt. Neben der zusätzlich benötig ten Energie ist bei dieser Verfahrensweise nachteilig, daß zusätzlich Heizvorrichtungen sowie Temperaturregelungsein richtungen notwendig sind. Bei anderen Lösungen werden Stick oxid-Adsorber, Dreiwegekatalysatoren oder Oxidationskatalysa toren für ottomotorisches Abgas vor- oder parallelgeschaltet. Der Adsorber hält während der Kaltphasen Stickoxide chemie sorptiv zurück und gibt sie bei erhöhten Temperaturen wieder frei. Nachteilig bei dieser Verfahrensweise ist das Erforder nis zusätzlicher Trägerkörper für das Adsorbens und ein er höhter Einbauraum, der bei Kraftfahrzeugen meist sehr knapp ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen hin sichtlich des gerätetechnischen Aufwandes einfachen Katalysa tor zur besonders wirksamen Reinigung des Abgases eines Die selmotors anzugeben. Darüber hinaus soll ein besonders wirk sames Reinigungsverfahren für dieselmotorisches Abgas mittels eines solchen Katalysators angegeben werden.

Bezüglich des Reduktionskatalysators wird diese Aufgabe er findungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruches 1. Be züglich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 14 gelöst.

Die Lösung besteht bei einem Reduktionskatalysator ganz all gemein darin, daß er eine Aktivmasse, beispielsweise aufge bracht auf einem inerten Träger, umfaßt, die neben einen SCR-Katalysator ein Speichermaterial für Stickoxide (im folgenden NO_x genannt) enthält. Bei Verwendung eines solchen Katalysa tors entfällt das Erfordernis, einem SCR-Katalysator eine NO_x-Speichervorrichtung, etwa in Form eines inerten Träger körpers mit darauf aufgebrachter NO_x-Speicherschicht vorzu schalten. Mit dem erfindungsgemäßen Katalysator werden viel mehr beide Funktionen herkömmlicher, mehrstufiger Katalysa torsysteme in einem einstückigen Katalysatorkörper vereint, nämlich einerseits die Adsorption von Stickoxiden während der Kaltphase des Dieselmotors und andererseits die Umsetzung der Stickoxide bei Arbeitstemperatur zu Stickstoff und Wasser. Das während der Kaltphase adsorbierte NO_x wird bei Erwärmung wieder langsam und sukzessive desorbiert und praktisch sofort mit dem im Abgas enthaltenen Reduktionsmittel umgesetzt. Vor zugsweise wird ein SCR-Katalysatormaterial auf der Basis TiO₂, WO₃, MoO₃ und V₂O₅ verwendet, wobei die Aktivmasse WO₃ und/oder MoO₃ mit einem Anteil von 0,1-15 Gew.-%, V₂O₅ mit einem Anteil von 0,1-10 Gew.-% und als Rest TiO₂ enthält. Das SCR-Katalysatormaterial kann mit inaktiven Stoffen, wie anorganischen Oxiden etwa in Faserform verdünnt werden, um beispielsweise die katalytische Wirksamkeit der Aktivmasse zu variieren. Als NO_x-Speichermaterial wird vorzugsweise ein hochoberflächiges anorganisches Oxid als Aktivkomponente, vorzugsweise aus der Gruppe Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂, Zeolithe und Schichtsilikate, verwendet. Die BET-Oberfläche des NO_x-Spei chermaterials weist Werte zwischen 50 und 500 m²/g auf. Die erfindungsgemäße Aktivmasse kann entweder in Form einer homo genen Mischung auf einem inerten Träger aufgebracht sein, es kann aber auch ein inerter Katalysatorkörper mit SCR-Kataly satormaterial oder NO_x-Speichermaterial beschichtet sein, wo bei diese Beschichtung wiederum mit dem jeweils anderen Ak tivmaterial beschichtet ist. Weiterhin kann der Katalysator körper selbst aus dem einen oder dem anderen Aktivmaterial bestehen und mit dem jeweils anderen Aktivmaterial beschich tet sein. Ein weitere Variante besteht darin, daß der Kataly satorkörper aus einer homogenen Mischung aus dem SCR-Kataly satormaterial und dem NO_x-Speichermaterial besteht. Die oben genannten Beschichtungen sind durch übliche Tauch-, Impräg nier- oder Sprühverfahren herstellbar. Die Form der Katalysa torkörper ist beliebig. Es kann sich beispielsweise um Wa benextrudate, Metallgitter oder -folien und Inert- oder Feu erfestkeramikträger handeln. Gegebenenfalls kann auch eine Heizung vorgesehen sein.

Ausführungsbeispiel

Ein Wabenkatalysator mit 35 × 35 Zellen besteht aus einer ho mogenen Mischung aus 50% SCR-Material und 50% NO_x-Speicher material (Prozentangaben in Gew.-%). Die Zusammensetzung des SCR-Materials ist:

TiO₂	75%
WO₃	8%
V₂O₅	1%
Inaktive Füllstoffe	16%

Das NO_x-Speichermaterial ist ein von der Firma Alsi-Penta un ter der Typenbezeichnung SM 27 vertriebener Zeolith. Der Ka talysatorkörper wurde mit dieselmotorischem Abgas beauf schlagt und die Emissionswerte gemessen. Entsprechende Mes sungen wurden bei einem Vergleichs-Katalysatorkörper durchge führt, der kein Zeolith enthielt. Gegenüber dem Vergleichska talysator wurde bei 340°C eine NO_x-Aktivitätssteigerung um ca. 10% bei einer Reduzierung der SO₂-Oxidationsaktivität um ca. 10% beobachtet.

Claims

1. Reduktionskatalysator zur Schadstoffminderung dieselmoto scher Abgase, gekennzeichnet durch eine Aktivmasse, die neben einem SCR-Katalysatormaterial ein NO_x-Speichermate rial enthält.

2. Reduktionskatalysator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein SCR-Katalysa tormaterial auf der Basis der katalytisch wirksamen Oxide TiO₂, WO₃, MoO₃ und V₂O₅.

3. Reduktionskatalysator nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende kataly tisch wirksame Oxidanteile (Gew.-%):
WO₃ und/oder MoO₃: 0,1-15% V₂O₅: 0,1-10% TiO₂: Rest

4. Reduktionskatalysator nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktiv masse mit inaktiven anorganischen Materialien verdünnt ist.

5. Reduktionskatalysator nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das NOx-Speichermaterial wenigstens ein hochoberflächiges anorgani sches Oxid als aktive Komponente enthält.

6. Reduktionskatalysator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die wenig stens eine Aktivkomponente ausgewählt ist aus der Gruppe Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂, Zeolithe und Schicht-Silikate.

7. Reduktionskatalysator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das NO_x-Speichermaterial eine BET-Oberfläche von 50-500 m₂/g auf weist.

8. Reduktionskatalysator nach einem der Ansprüche 1-7, gekennzeichnet durch einen Katalysator körper aus katalytisch inaktivem Material, der mit einer ho mogenen Mischung aus dem SCR-Katalysator-Material und dem NO_x-Speichermaterial beschichtet ist.

9. Reduktionskatalysator nach einem der Ansprüche 1-7, gekennzeichnet durch einen mit dem SCR-Katalysatormaterial oder dem NO_x-Speichermaterial beschichte ten Katalysatorkörper aus katalytisch inaktivem Material, mit einer weiteren Beschichtung aus dem jeweils anderen Aktivma terial.

10. Reduktionskatalysator nach einem der Ansprüche 1-7, gekennzeichnet durch einen Katalysator körper aus dem SCR-Katalysatormaterial oder dem NO_x-Speicher material, der mit dem jeweils anderen Aktivmaterial beschich tet ist.

11. Reduktionskatalysator nach einem der Ansprüche 1-7, gekennzeichnet durch einen Katalysator körper aus einer homogenen Mischung aus dem SCR-Katalysator material und dem NO_x-Speichermaterial.

12. Reduktionskatalysator nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß er beheiz bar ist.

13. Reduktionskatalysator nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß er mit ei nem herkömmlichen SCR-Katalysator in Reihen- oder Parallel schaltung kombiniert ist.

14. Verfahren zur Schadstoffreduzierung dieselmotorischer Ab gase unter Verwendung eines Reduktionskatalysators nach einem der Ansprüche 1-13.