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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Behandlung von Stickoxiden
im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, welches
System in einem Abgasstrang Mittel zur Erzeugung eines nicht-thermischen
Plasmas aus den am Einlaß aufgenommenen
Abgasen und Mittel zur Bildung eines Katalysators zur Verminderung
von Stickoxiden enthalten, welche am Auslaß der Mittel zur Plasmaerzeugung
angeordnet sind.
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Die
Verbrennung einer Mischung aus Luft und Kraftstoff in einem thermischen
Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs erzeugt Stickoxide (Stickstoffmonoxid
NO und Stickstoffdioxid NO2).
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Eine
Technologie zur Behandlung des im Abgas vorhandenen NOx, die unter
dem Namen DeNOx-permanent bekannt ist, verwendet einen Katalysator,
der im Abgasstrang des Motors angeordnet ist. Ein solcher Katalysator
ist ständig
katalytisch aktiv, während
der Motor läuft.
Dieser Katalysator verwendet Kohlenwasserstoffe, die im Abgasstrom
enthalten sind, zur Reduktion des NOx an den katalytischen Stellen,
die hierzu vorgesehen sind. Das thermische Fenster der katalytischen
Aktivität
eines solchen Katalysators, d. h., die Temperaturgrenzen, an denen
der Katalysator zur Reduktion des NOx wirksam ist, ist jedoch relativ
klein. Ferner ist seine Verwendung wenig vereinbar mit der Funktionsweise
eines Kraftfahrzeugmotors, insbesondere da die Temperatur des Abgasstroms
in hohem Maße
schwanken kann.
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Es
ist ferner bekannt, einen Plasmagenerator vor dem Katalysator einzusetzen.
Ein solcher Generator erzeugt Plasma aus den Abgasen zur Verbesserung
der katalytischen Wirksamkeit des Katalysators. Das thermische Fenster
der katalytischen Aktivität
dieser Anordnung bleibt jedoch relativ klein, so dass ihre Verwendung
ebenfalls wenig vereinbar mit der Funktionsweise insbesondere eines
Kraftfahrzeugsmotors ist.
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Das
Dokument
WO 00/43469
A beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entfernung
zumindest eines Teils zumindest eines Schadstoffs in einem Abgasstrom,
der ein Abgas enthält,
das durch Verbrennung von Kohlenstoff in einem Motor im Magermischbetrieb
erzeugt wird.
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Das
Dokument
BE 1006164
A beschreibt eine Katalysatorvorrichtung zur Reduktion
von Stickoxiden in einem Abgas, das einen großen Temperaturbereich aufweist.
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Es
ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, die vorstehend genannten
Probleme zu lösen,
indem ein System zur Behandlung von NOx als Emission eines Verbrennungsmotors
eine Kraftfahrzeugs vorgeschlagen wird, welches ein grosses thermisches
Fenster katalytischer Aktivität
aufweist und im wesentlichen mit der ständigen Funktion eines Motors
im Magermischbetrieb vereinbar ist, derart, dass ein solches System
in Kraftfahrzeuge einbaubar ist, insbesondere zur effizienten Behandlung
von NOx.
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Hierzu
betrifft die vorliegende Erfindung ein System zur Behandlung von
NOx im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs,
welches System in einem Abgasstrang Mittel zur Erzeugung eines nicht-thermischen
Plasmas aus den am Einlaß aufgenommenen
Abgasen und Mittel zur Bildung eines DeNOx-Katalysators enthalten,
welche am Auslaß der
Mittel zur Plasmaerzeugung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,
dass die Mittel zur Bildung des Katalysators unterschiedlicher Arten
von katalytischen Elementen enthalten, welche unterschiedliche thermische
Fenster katalytische Aktivität
aufweisen, die sich ergänzen und
gemäß der Art
des zu behandelnden Gases variabel sind, welches System unter anderem
umfaßt:
- – erste
Mittel zur Aufnahme der Temperatur des Abgases stromaufwärts der
Mittel zur Bildung des Katalysators; und
- – Mittel
zur Steuerung der Mittel zur Plasmaerzeugung entsprechend der aufgenommenen
Temperatur zur Optimierung der Reduktion des NOx bei dieser Temperatur,
welche
Mittel zur Steuerung die Mittel zur Plasmaerzeugung derart aktivieren,
dass bei der aufgenommenen Temperatur der gesamte Zuwachs katalytischer
Aktivität
der jeweiligen Aktivierung größer ist
als eine vorbestimmte Schwelle.
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Gemäß weiteren
Merkmalen
- – sind
die Arten katalytischer Elemente derart ausgewählt, dass das gesamte thermische
Fenster der katalytischen Aktivität der Mittel zur Bildung des
Katalysators ein Fenster von 200°C
bis 500°C
umfaßt;
- – die
katalytischen Elemente sind aus der Gruppe ausgewählt, die
aus Al2O3 und CeO2-ZrO2 besteht, das mit
einem Übergangsmetall
oder Edelmetall imprägniert
ist;
- – die
katalytischen Elemente bestehen in der Strömungsrichtung des Abgasstroms
aufeinanderfolgend aus Al2O3,
Rh-Pd/CeO2-ZrO2 oder
Ag/CeO2-ZrO2;
- – die
katalytischen Elemente sind auf einem einheitlichen Träger angeordnet;
- – der
einheitliche Träger
ist aus einer Gruppe ausgewählt,
die aus Cordierit, Mullit, SiC oder Metall gebildet wird;
- – die
katalytischen Elemente sind aus der Gruppe ausgewählt, die
Al2O3 und CeO2-ZrO2 umfaßt;
- – die
Mittel zur Erzeugung nicht-thermischen Plasmas sind im Inneren der
Mittel zur Bildung des Katalysators angeordnet;
- – das
System umfaßt
zweite Mittel zur Temperaturaufnahme stromaufwärts der Mittel zur Bildung
des Katalysators, und die Steuermittel umfassen Mittel zur Bestimmung
des Anregungszustands der Arten katalytischer Elemente in Abhängigkeit
von den aufgenommenen Temperaturen, und eine Bedingung zur Aktivierung
der Mittel zur Plasmaerzeugung besteht darin, dass zumindest eine
Art von katalytischem Element angeregt ist;
- – die
Steuermittel umfassen Mittel zum Vergleich der stromaufwärts gemessenen
und stromabwärts
gemessenen Temperaturen mit jeweils vorbestimmten ersten und zweiten
Schwellentemperaturen, und
- – in
dem Fall, in welchem die stromaufwärts und stromabwärts gemessenen
Temperaturen kleiner sind als ihre jeweiligen Schwellentemperaturen,
sind die Mittel zur Plasmaerzeugung inaktiv;
- – in
dem Fall, in welchem die stromaufwärts gemessene Temperatur höher ist
als die erste Schwellentemperatur und die stromabwärts gemessene
Temperatur kleiner ist als die zweite Schwellentemperatur, sind die
Mittel zur Plasmaerzeugung aktiv; und
- – in
dem Fall, in welchem die stromaufwärts und stromabwärts gemessenen
Temperaturen höher
sind als ihre jeweiligen Schwellentemperaturen, sind die Mittel
zur Plasmaerzeugung inaktiv;
- – die
ersten und zweiten Schwellentemperaturen liegen jeweils im Bereich
von 200°C
bis 350°C;
und
- – die
Steuermittel sind unter anderem dazu vorgesehen, die Kraftstoffversorgung
der Zylinder des Motors und/oder die Luftfördermenge in den Motor zur
Veränderung
der Zusammensetzung der Kohlenwasserstoffe der Abgase am Auslaß des Motors
zu steuern.
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Die
Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung verdeutlicht, die
ausschließlich
beispielhaft mit Bezug auf die folgenden beigefügten Zeichnungen erfolgt.
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1 ist
eine schematische Ansicht eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung,
das mit einer Antriebseinheit eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs
verbunden ist; 2 ist eine schematische Ansicht
einer zweiten Ausführungsform
der Abgaslinie des Systems gemäß 1;
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3A und 3B sind
graphische Darstellungen, die die katalytische Aktivität von Al2O3 als Funktion
der Temperatur darstellen, in Anwesenheit von Propen als Reduktionsmittel
des NOx, jeweils ohne und mit Plasmabehandlung der Abgase;
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4A und 4B sind
graphische Darstellungen der katalytischen Aktivität des Al2O3 als Funktion der
Temperatur, in Anwesenheit einer Mischung von Kohlenwasserstoffen
als Reduktionsmittel des NOx, jeweils ohne und mit Plasmabehandlung
der Abgase;
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5A und 5B sind
graphische Darstellungen, die die katalytische Aktivität von Rh-Pd/CeO2-ZrO2 als Funktion
der Temperatur darstellen, in Anwesenheit von Propen als Reduktionsmittel des
NOx, jeweils ohne und mit Plasmabehandlung der Abgase;
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6A und 6B sind
graphische Darstellungen, die die katalytische Aktivität von Rh-Pd/CeO2-ZrO2 als Funktion
der Temperatur darstellen, in Anwesenheit einer Mischung von Kohlenwasserstoffen
als Reduktionsmittel des NOx, jeweils ohne und mit Plasmabehandlung
der Abgabe;
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7A und 7B sind
graphische Darstellungen der katalytischen Aktivität von Ag/CeO2-ZrO2 als Funktion
der Temperatur, in Anwesenheit von Propen als Reduktionsmittel des
NOx, jeweils ohne und mit Plasmabehandlung der Abgase;
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8A und 8B sind
graphische Darstellungen der katalytischen Aktivität des Ag/CeO2-ZrO2 als Funktion
der Temperatur, in Abwesenheit einer Mischung von Kohlenwasserstoffen
als Reduktionsmittel des NOx jeweils ohne und mit Plasmabehandlung
der Abgase;
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9A und 9B sind
graphische Darstellungen der gesamten katalytischen Aktivität eines
Katalysators mit dem Aufbau gemäß 1 oder 2 als
Funktion der Temperatur, in Anwesenheit von Propen als Reduktionsmittel
des NOx, jeweils ohne und mit Plasmabehandlung der Abgase;
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10A und 10B sind
graphische Darstellungen der gesamten katalytischen Aktivität eines
Katalysators mit dem Aufbau gemäß 1 oder 2 als
Funktion der Temperatur, in Anwesenheit einer Mischung von Kohlenwasserstoffen
als Reduktionsmittel des NOx, jeweils ohne und mit Plasmabehandlung
der Abgase; und
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11 ist
eine schematische Ansicht einer Steuereinheit in dem Aufbau des
Systems von 1.
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In 1 ist
ein Verbrennungsmotor 10 eines Kraftfahrzeugs mit Mitteln 12 zur
Kraftstoffversorgung seiner Zylinder und Mitteln 14 zum
Lufteinlaß in
denselben versehen.
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Der
Motor 10 ist ferner mit einem Abgasstrang 16 für seine
Abgase verbunden, welcher einen Reaktor 18 zur Erzeugung
eines nicht-thermischen Plasmas umfaßt.
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Der
Reaktor 18 wird beispielsweise gebildet durch einen zylindrischen
Körper,
der zumindest eine erste Randelektrode umfaßt, die mit einer Maße von Mitteln 20 zur
Hochspannungsversorgung verbunden ist, sowie eine zweite Zentralelektrode
in Form eines Drahtes, der mit einer Einstellspannungsklemme von
Mitteln 20 zur Hochspannungsversorgung verbunden ist.
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Die
Mittel 20 zur Spannungsversorgung sind beispielsweise durch
eine Fahrzeugbatterie steuerbar und mit dieser verbunden. Sie umfassen
einen Schwingungsgenerator zur Erzeugung elektrischer Entladungen
in dem Ab gas, das den Reaktor 18 durchläuft, zur Erzeugung eines nicht-thermischen
Plasmas.
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Beispielsweise
sind die Mittel 20 dazu vorgesehen, vorbestimmte Spannungspulse
an die Elektroden des Reaktors abzugeben, oder eine Sinusspannung.
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Ein
Katalysator 22 zur NOx-Reduktion, der stromabwärts des
Reaktors 18 im Abgasstrang 16 angeordnet ist,
nimmt das Abgas am Ausgang des Reaktors 18 auf, d. h. unmittelbar
die Abgase des Motors oder das durch den Reaktor 18 erzeugte
nicht-thermische Plasma, abhängig
davon, ob der Reaktor aktiv ist oder nicht.
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Der
Katalysator 22 umfaßt
eine Anzahl katalytischer Elemente 22a, 22b, 22c,
die sich unterscheiden und aufeinanderfolgend angeordnet sind.
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Jedes
dieser katalytischen Elemente weist eine katalytische Aktivität (Konversionsrate
des NOx) in einem variablen thermischen Fenster als Funktion der
Art des behandelten Gases auf, d. h. insbesondere als Funktion der
Zusammensetzung des Abgases im Hinblick auf verbrannte Kohlenwasserstoffe
und die Plasma-Merkmale des Abgases, wie im folgenden noch genauer
erläutert
werden soll.
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Vorteilhafterweise
sind die thermischen Fenster der Elemente 22a, 22b, 22c des
Katalysators 22 komplementär, wobei ein erstes Fenster
in den niedrigen Temperaturen enthalten ist, ein zweites in mittleren
Temperaturen und ein drittes in hohen Temperaturen. Somit ist das
gesamte thermische Fenster der katalytischen Aktivität des Katalysators 22 beträchtlich,
wie ebenfalls noch im folgenden erläutert werden soll.
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Die
Funktionsweise des Motors 10 und der beschriebenen Organe
wird durch eine Einheit 24 gesteuert, welche eine Strategie
zur Steuerung der Behandlung des NOx verwendet, welche die katalytische
Aktivität des
Katalysators 22 bei der Temperatur des Abgases maximiert,
wobei der Kraftstoffverbrauch zur Energieversorgung des Reaktors 18 minimiert
wird.
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Ein
erster Temperaturfühler 26 ist
stromaufwärts
des Katalysators 22 zur Messung der Temperatur des Abgases
am Einlaß desselben
angeordnet, welcher die gemessene Temperatur an die Einheit 24 weitergibt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist ferner ein zweiter Temperaturfühler 28 stromabwärts des
Katalysators 22 zur Messung der Temperatur des Abgases
am Auslaß desselben
angeordnet, welcher die stromabwärts
gemessene Temperatur an die Einheit 24 weitergibt.
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Mittel 30 zur
Bestimmung des Funktionspunkts des Motors 10, beispielsweise
des Drehzahlbereichs desselben, des Motordrehmoments, das vom Fahrer
verlangt wird, und/oder des Luftstroms am Einlaß des Motors 10, sind
ebenfalls vorgesehen und geben den bestimmten Funktionspunkt an
die Einheit 24 weiter.
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Diese
Mittel 30 umfassen beispielsweise einen Drehzahlmesser
zur Bestimmung der Drehzahl des Motors 10, einen Sensor
zur Messung der Position des Gaspedals zur Bestimmung des verlangten
Drehmoments und einen Strömungsmesser,
der am Einlaß der
Einlaßmittel 14 zur
Versorgung eines Luftstroms zum Motor 10 angeordnet ist.
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Eine
zweite Ausführungsform
des Reaktors und des Katalysators ist schematisch in 2 dargestellt.
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In
den 1 und 2 sind identische oder analoge
Elemente durch die gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
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In
dieser Ausführungsform
sind der Reaktor 18 und der Katalysator 22 analog
wie in 1 aufgebaut, sind jedoch im gleichen Gehäuse 32 enthalten,
d. h., der Reaktor 18 ist im Inneren des Katalysators 22 angeordnet.
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Somit
wird das nicht-thermische Plasma unmittelbar aus Gasen erzeugt,
die in dem Katalysator vorhanden sind. Das bietet den Vorteil, dass
das Reaktionsmilieu, in welchem sich die katalytischen Elemente
des Katalysators befinden, eine Konzentration von Reaktionselementen
enthält,
wie etwa freie Radikale, die aufgrund des Transports derselben in
Richtung der katalytischen Elemente minimal höher ist als bei der Ausführungsform
in 1.
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Im
folgenden wird im einzelnen der Aufbau des Katalysators 22 in 1 oder 2 mit
Bezug auf die 3 bis 10 erläutert, welche
die katalytische Aktivität
unterschiedlicher Arten katalytischer Elemente als Funktion der
Temperatur und der Art der behandelten Gase darstellen.
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Das
katalytische Element 22a stromaufwärts des Katalysators zeigt
eine katalytische Aktivität
in einem Fenster hoher Temperaturen auf, d. h. eine katalytische
Hauptaktivität
zwischen etwa 300°C
und etwa 500°C ohne
Plasma in den behandelten Gasen, und zwischen etwa 200°C und etwa
400°C mit
Plasma in den behandelten Gasen.
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Beispielsweise
kann das stromaufwärts
gelegene katalytische Element Aluminiumoxid (Al2O3) sein.
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Tabelle
1 zeigt die Haupteigenschaften von Aluminiumoxid (Al2O3), das in den 3A, 3B, 4A und 4B gezeigt
ist.
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Die
Art der Abgase, die durch Aluminiumoxid behandelt werden, hängt von
der Zusammensetzung der Kohlenwasserstoffrückstände am Ausgang des Motors ab.
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In
einer ersten Variante handelt es sich bei den Kohlenwasserstoff-Rückständen am
Ausgang des Motors im Abgas im wesentlichen um Propen.
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In
einer zweiten Variante handelt es sich bei den Kohlenwasserstoff-Rückständen am
Ausgang des Motors um eine Mischung aus Propen, Propan, Toluen und
Dekan in herkömmlichen
Anteilen im Abgas eines Verbrennungsmotors.
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Die
Art der Abgase hängt
ferner vom Vorhandensein oder Nichtvorhandensein des nicht-thermischen Plasmas
in dem durch das Aluminiumoxid behandelten Gas ab.
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Eine
erste Hauptspalte "Propen" in Tabelle 1 zeigt
die katalytischen Eigenschaften des Aluminiumoxids Al2O3 beim Vorhandensein von Propen als Haupt-Reduktionsmittel
in dem Abgas am Ausgang des Motors. Eine zweite Hauptspalte "Mischung von Kohlenwasserstoffen" bezeichnet die gleichen
Ei genschaften beim Vorhandensein einer Mischung von Kohlenwasserstoff-Rückständen im Abgas am Auslaß des Motors.
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Eine
erste Hauptzeile der Tabelle 1 "ohne
Plasma" bezeichnet
katalytische Eigenschaften von Aluminiumoxid (Al2O3) bei Abwesenheit von Plasma in den behandelten
Abgasen, und eine zweite Hauptzeile "mit Plasma" bezeichnet die gleichen Eigenschaften
bei Vorhandensein von Plasma.
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Jede
der ersten und zweiten Hauptspalten von Tabelle 1 ist eingeteilt
in eine erste Spalte "Fenster (°C)", welche die thermischen
Fenster der katalytischen Aktivität des Aluminiumoxid (Al
2O
3) wiedergibt,
und eine Spalte "AC
(%)", welche die
minimale katalytische Aktivität
des Aluminiumoxid (Al
2O
3)
entsprechend in den thermischen Fenstern wiedergibt.
| Propen | Mischung
von Kohlenwasserstoffen |
Fenster
(°C) | AC
(%) | Fenster
(°C) | AC
(%) |
ohne Plasma | 400–500 | 10 | 300–340
480–500 | 10 |
| | 340–355
440–480 | 30 |
| | 355–440 | 40 |
mit Plasma | 200–250
345–375 | 20 | 200–250
350–500 | 20 |
250–295 | 30 | 250–275 | 30 |
305–345 | | 325–350 | |
295–305 | 40 | 275–325 | 40 |
Tabelle
1: Katalytische Aktivität
von Aluminiumoxid (Al
2O
3)
als Funktion der Temperatur und der Art der behandelten Gase.
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Das
mittlere katalytische Element 22b des Katalysators 22 stromabwärts des
stromaufwärts
gelegenen katalytischen Elements 22a weist ein mittleres
thermisches Fenster katalytischer Aktivität auf, das unterhalb desjenigen
des stromaufwärts
gelegenen ersten katalytischen Elements liegt, d. h., eine katalytische Hauptaktivität zwischen
etwa 200°C
und etwa 300°C
mit oder ohne Plasma in den behandelten Gasen aufweist.
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Dieses
mittlere katalytische Element 22b wird beispielsweise gebildet
durch eine Beschichtung mit einem Übergangsmetall auf Oxiden von
Cer und Zirkonium.
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Vorzugsweise
ist das mittlere katalytische Element 22b vom Typ Rh/CeO2-ZrO2 und/oder Pd/CeO2-ZrO2.
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Tabelle
2, die identisch wie Tabelle 1 aufgebaut ist, zeigt die katalytischen
Haupteigenschaften, die in den
5A,
5B,
6A und
6B gezeigt
sind, eines Elements der Art Pd-Rh/CeO
2-ZrO
2, in Abhängigkeit
von der Temperatur und der Art des Gases, wie zuvor beschrieben.
| Propen | Mischung
von Kohlenwasserstoffen |
Fenster
(°C) | AC
(%) | Fenster
(°C) | AC
(%) |
ohne Plasma | 210–300 | 10 | 225–250
300–350 | 10 |
250 | 15 | 250–270
280–300 | 20 |
| | 270–280 | 23 |
mit Plasma | 200–245
255–280 | 20 | 150–230
355–450 | 10 |
245–255 | 30 | 230–270
280–355 | 20 |
| | 270–280 | 23 |
Tabelle
2: Katalytische Aktivität
von Pd-Rh/CeO
2-ZrO
2 als
Funktion der Temperatur der Art der behandelten Gase.
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Das
katalytische Element 22c stromabwärts des Katalysators 22,
stromabwärts
des mittleren katalytischen Elements 22b, weist ein unteres
thermisches Fenster katalytischer Aktivität auf, das unterhalb desjenigen
des mittleren katalytischen Elements 22b liegt, d. h. es
weist eine katalytische Hauptaktivität zwischen etwa 150°C und etwa
300°C mit
oder ohne Plasma in den behandelten Gasen auf.
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Dieses
stromabwärts
gelegene Element 22c wird besipielsweise gebildet durch
eine Schicht eines Edelmetalls auf Oxiden von Cer und Zirkonium.
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Vorzugsweise
ist das stromabwärts
gelegene katalytische Element 22c von der Art Ag/CeO2-ZrO2.
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Tabelle
3, die identisch wie Tabelle 1 aufgebaut ist, zeigt die katalytischen
Haupteigenschaften, wie sie in den
7A,
7B,
8A und
8B dargestellt
sind, eines Elements von der Art Ag/CeO
2-ZrO
2 als Funktion der Temperatur und der Art
des Gases, wie vorstehend beschrieben.
| Propen | Mischung
von Kohlenwasserstoffen |
Fenster
(°C) | AC
(%) | Fenster
(°C) | AC
(%) |
ohne Plasma | 200–250
300–400 | 10 | 200–250
300–400 | 10 |
250–300 | 18 | 250–300 | 18 |
mit
Plasma | 150–400 | 20 | 150–400 | 20 |
Tabelle
3: Katalytische Aktivität
von Ag/CeO
2-ZrO
2 als
Funktion der Temperatur und der Art der behandelten Gase.
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Demnach
sind die thermischen Fenster katalytische Aktivität der unterschiedlichen
Elemente 22a, 22b, 22c komplementär und überschneiden
sich in Strömungsrichtung
der Abgase im Abgasstrang 16.
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In
Kombination der katalytischen Aktivität der einzelnen Elemente 22a, 22b, 22c des
Katalysators 22 weisen diese also eine katalytische Gesam taktivität als Funktion
der Temperatur und in Abhängigkeit
von der Art der behandelten Abgase auf, wie sie in den 9A, 9B, 10A und 10B gezeigt
ist.
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Tabelle
4, die so wie Tabelle 1 aufgebaut ist, faßt die Haupteigenschaften des
Katalysators
22 zusammen.
| Propen | Mischung
von Kohlenwasserstoffen |
Fenster
(°C) | AC
(%) | Fenster
(°C) | AC
(%) |
ohne Plasma | 200–240
290–500 | 10 | 220–225
310–450 | 20 |
240–255
265–290 | 20 | 225–260
270–310 | 30 |
255–265 | 25 | 260–270 | 40 |
mit Plasma | 150–180
340–400 | 10 | 200–220
300–450 | 20 |
180–255
265–340 | 20 | 220–250
290–300 | 40 |
255–265 | 55 | 250–225
265–290 | 50 |
| | 255–265 | 55 |
Tabelle
4: Katalytische Gesamtaktivität
des Katalysators, gebildet aufeinanderfolgend in Strömungsrichtung der
Gase, durch Al
2O
3,
Pd-Rh/CeO
2-ZrO
2 und
Ag/CeO
2-ZrO
2, als
Funktion der Temperatur und der Art der behandelten Gase.
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Der
Katalysator 22 weist somit eine katalytische Aktivität in einem
thermischen Fenster zumindest von [200–500]°C auf, was es ermöglicht,
eine Behandlung des NOx in einen großen Funktionsbereich des thermischen
Motors insbesondere eines Fahrzeugs zu erreichen.
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Vorteilhafterweise
sind die drei katalytischen Elemente Rh/CeO2-ZrO2 und Ag/CeO2-ZrO2 auf einem gemeinsamen Träger angeordnet,
wie etwa Kordielit, Mullit, Karborunt (SiC), Metall oder jede Art
von Substrat, die sich als Träger
des Katalysators eignet.
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Im
folgenden wir anhand von 11 die
Anordnung und die Funktion der Einheit 24 zur Steuerung
der Handlung von NOx der vom Motor 10 abgegebenen Abgase
erläutert.
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Die
Einheit 24 umfaßt
Mittel 40 zur Speicherung einer ersten und einer zweiten
Schwellentemperatur T1, T2.
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Die
Speichermittel 40 sind mit ersten und zweiten Mitteln 42, 44 zum
Vergleich der Schwellentemperaturen T1, T2 mit einer jeweils stromaufwärts gemessenen
Temperatur Tu und einer stromabwärts
gemessenen Temperatur Td verbunden.
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Die
Schwellentemperaturen T1, T2 werden beispielsweise experimentell
bestimmt und hängen
insbesondere von der Zusammensetzung der katalytischen Elemente,
ihrer Beladung mit Edelmetallen und dem Volumen des Katalysators
ab, sowie von der Regelung des Motors.
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Im
Fall eines Katalysators, der in der Reihenfolge des Abgasstroms
aufeinanderfolgend Al2O3 und Pd-Rh/CeO2-ZrO2 und Ag/CeO2-ZrO2, ist T1 beispielsweise
gleich 200°C
und T2 beispielsweise gleich 350°C.
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Das
Ergebnis des Vergleichs der Mittel 42, 44 wird
an Mittel 46 zur Aktivierung/Deaktivierung des Reaktors
zur Plasmaerzeugung weitergegeben.
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Die
Mittel 46 zur Aktivierung/Deaktivierung aktivieren die
Hochspannungsversorgung des Reaktors zur Plasmaerzeugung, falls
diese Aktivierung eine wesentliche Auswirkung auf den Zuwachs der
katalytischen Aktivität
des Katalysators hat, beispielsweise oberhalb 10%.
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Falls
die stromaufwärts
und stromabwärts
gemessenen Temperaturen Tu, Td kleiner sind als ihre jeweiligen
Schwellentemperaturen T1, T2, wird keiner der Teile des Katalysators
gezündet.
Die Mittel 46 zur Aktivierung/Deaktivierung aktivieren
nicht den Reaktor zur Plasmaerzeugung, und eine Bedingung zur Aktivierung
des Reaktors ist, dass zumindest eine Art der katalytischen Elemente
im Katalysator 22 sich in einem gezündeten Zustand befindet.
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Die
Stickoxide (NOx) werden somit nicht durch die nicht gezündeten katalytischen
Elemente behandelt und passieren den Katalysator ohne Reduktion
zur Stickstoff. Somit hat die Aktivierung des Reaktors im wesentlichen
keine Wirkung auf die katalytische Aktivität des Katalysators. Diese Phase
entspricht einem Kaltstart des Fahrzeugs.
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Falls
die stromaufwärts
gemessene Temperatur Tu höher
ist als die Temperatur T1 und die stromabwärts gemessene Temperatur Td
kleiner ist als die Temperatur T2, werden die katalytischen Elemente
gezündet,
und die Mittel 46 aktivieren den Reaktor zur Plasmaerzeugung.
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Somit
nehmen im thermischen Fenster [200, 350]°C die drei katalytischen Elemente,
einschließlich des
Aluminiumoxid, dessen thermisches Fenster in den hohen Temperaturen
bei nicht vorhandenem Plasma liegt, mit einer Entwicklung derselben
in Richtung der noch niedrigeren Temperaturen bei Plasmaentladungen in
dem Abgas, an der Reduktion des NOx in den Abgasen teil. Die Aktivierung
des Reaktors hat ferner einen wesentlichen Zuwachs der katalytischen
Gesamtaktivität
des Katalysators von mehr als 10% zur Folge, was auch einen Mehrverbrauch
von Kraftstoff rechtfertigt, der durch die Aktivität des Reaktors
verursacht wird.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung steuern die Mittel 46 die Mittel 20 zur
Versorgung des Reaktors in konstanter Weise. Beispielsweise werden
die Mittel 20 zur Versorgung durch die Mittel 46 zur
Aktivierung/Deaktivierung gesteuert, damit diese an die Elektroden
des Reaktors eine Leistung zwischen 250 und 300 W beispielsweise
abgeben.
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In
der Ausführungsform
gemäß 11 steuern
die Mittel 46 die Mittel 20 zur Versorgung in
Abhängigkeit
von der Menge des NOx, die in den Abgas enthalten ist und/oder der
Temperatur desselben.
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Die
Mittel 46 nehmen den Funktionspunkt Pf des Motors auf und
bestimmen beispielsweise anhand eines vorbestimmten und gespeicherten
Graphen desselben die Menge des NOx, die vom Motor am Funktionspunkt
emittiert wird. Die Mittel 46 steuern somit die Mittel 20 zur
Versorgung des Reaktors, für
den sie eine Leistung abgeben, die in Abhängigkeit von der bestimmten
Menge des NOx gemessen wird, beispielsweise zunehmen mit der vom
Motor abgegebenen Menge des NOx.
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Falls
die stromaufwärts
und stromabwärts
gemessenen Temperaturen Tu, Td größer sind als ihre jeweiligen
Schwellentemperaturen T1, T2, deaktivieren die Mittel 46 den
Reaktor zur Plasmaerzeugung. Somit weist für Temperaturen oberhalb von
T2 lediglich ein katalytisches Hochtemperaturelement, nämlich Aluminiumoxid,
eine katalytische Aktivität
auf. Bei diesen Temperaturen ist das thermische Fenster katalytischer
Aktivität
von Aluminiumoxid wesentlich größer ohne
Plasma als mit Plasma bei einer vorhandenen Mischung von Kohlenwasserstoffen
im Abgas, wie es in den 4a und 4b dargestellt
ist. Der Aktivitätszuwachs
durch Aktivierung des Reaktors ist gleich Null und der Reaktor ist
somit nicht für
Temperaturen oberhalb von T2 aktiviert. Dies ermöglicht die Reduktion des Kraftstoffverbrauchs
des Motors zur Erzeugung der erforderlichen Energie für den Betrieb
der Mittel 20 zur Versorgung des Reaktors.
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Die
Mittel 46 sind gleichermaßen dazu vorgesehen, die Funktion
der Mittel zur Versorgung des Motors und/oder der Mittel zum Lufteinlaß in den
Motor zur Änderung
des Gemisches von Kohlenwasserstoffen in den Abgasen zu ändern, als
auch die katalytische Aktivität
des Katalysators in Abhängigkeit
von der Zusammensetzung der Abgase aus Propen oder einer Mischung
von Kohlenwasserstoffen zu ändern.
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Beispielsweise
sind die Mittel 46 dazu geeignet, das Einspritzverhalten
des Kraftstoffs in die Zylinder des Motors zu ändern, durch Steuerung einer
Verzögerung
des Einspritzens des Kraftstoffs in diese, oder durch Nacheinspritzen.
Das Nacheinspritzen des Kraftstoffs in die Zylinder des Motors hat
zur Folge, dass die Menge der im Abgas vorhandenen Kohlenwasserstoff-Rückstände vergrößert wird,
was zu einer zeitweisen Vergrößerung des
Verhältnisses
HC/NOx des Anteils der Kohlenwasserstoff-Rückstände zum Anteil des NOx im Abgas
führt,
und somit zu einer Verbesserung der Umwandlung des NOx in Stickstoff.
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Im
folgenden wird eine Ausführungsform
der Steuereinheit zur Behandlung des NOx im Abgas eines Verbrennungsmotors
beschrieben.
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Diese
Einheit verwendet auf einfache Weise ein Verfahren zur Steuerung,
welches in Abhängigkeit
von der Temperatur die katalytische Aktivität eines Katalysators maximiert,
der drei komplementäre
katalytische Elemente enthält,
in einem großen
thermischen Fenster von [200, 500]°C, zur Minimierung des Mehrverbrauchs
von Kraftstoff, der durch die Verwendung eines Reaktors zur Plasmaerzeugung
verursacht wird.
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In
einer Abwandlung kann das erfindungsgemäße System einen einzigen Messfühler umfassen,
der stromaufwärts
des Katalysators angeordnet ist, und eine Steuereinheit ist dazu
vorgesehen, diese gemessene Temperatur mit den vorstehend erwähnten Schwellentemperaturen
zu vergleichen, zur Steuerung der Mittel zur Versorgung des Reaktors
analog zur bereits beschriebenen Weise.
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Die
Anbringung von zwei stromaufwärts
und stromabwärts
angeordneten Messfühlern
führt zu
einer genaueren Steuerung, und die stromabwärts gemessene Temperatur entspricht
im wesentlichen derjenige am letzten katalytischen Element des Katalysators,
was somit eine Steuerung nahe der Temperatur desselben ermöglicht.
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In
einer Abwandlung kann der Katalysator zwei oder mehr Teile an Arten
katalytischer Elemente enthalten.
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Eine
weitere Abhandlung besteht darin, die katalytischen Elemente vom
Typ Ag/CeO2-ZrO2 und Pd-Rh/CeO2-ZrO2 durch ein
Material zu ersetzen, das keine Edelmetalle enthält, wie beispielsweise zwei
Elemente vom Typ CeO2-ZrO2,
so dass die Kosen des Systems wesentlich aufgrund der Abwesenheit
von Edelmetallen gesenkt werden.
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Beispielsweise
enthält
der Katalysator einen Teil mit Aluminiumoxid (Al2O3) stromaufwärts eines Teils mit CeO2-ZrO2.