DE19801410C1

DE19801410C1 - Abgasreinigungsanlage für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE19801410C1
Application number: DE1998101410
Authority: DE
Inventors: Joerg Dr Dipl Phys Wind; Felix Dr Dipl Chem Nitschke
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1998-01-16
Filing date: 1998-01-16
Publication date: 1999-03-11
Anticipated expiration: 2018-01-17

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasreinigungsanlage für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Emission von Stickoxiden (NO_x) von Verbrennungskraftma schinen, speziell solchen, die im Straßenverkehr eingesetzt werden, stellt eine erhebliche Umweltbelastung dar, die durch einschlägige Gesetze immer stärker beschränkt wird. Während Otto-Motoren mit Dreiwege-Katalysator, die mit einem Kraft stoff-Luftgemisch von λ = 1 betrieben werden, alle derzeiti gen Abgasvorschriften erfüllen, ist dies für die vom Kraft stoffverbrauch her wesentlich günstigeren Otto-Mager-Motoren wegen des hohen Luftüberschusses bei der Verbrennung nicht der Fall. Bei Fahrzeugen mit Dieselmotor gelten derzeit noch höhere Grenzwerte, jedoch sind auch hier niedrigere Grenzwer te vorgesehen. Hier ist eine spezielle NO_x-Entfernung erfor derlich. Dazu werden sogenannte Denox-Katalysatoren verwen det, die jedoch nur einen Umwandlungsgrad von maximal 50% er reichen.

Um die NO_x-Emission bei Otto-Mager-Motoren herabzusetzen, sind sogenannte NO_x-Speicher-Katalysatoren entwickelt worden, die auf einem Träger, z. B. aus Keramik oder Metall, eine porö se Beschichtung, z. B. eine Aluminiumoxidbeschichtung, aufwei sen, die einerseits Metallsalze oder -oxide, wie Alkali-, Erdalkali- oder Seltenerdmetallsalze oder -oxide, die NO_x ab sorbieren, und andererseits Edelmetalle, wie Platin, enthält. Bei normalem Betrieb des Otto-Mager-Motors, also mit sauer stoffreichem Abgas, wird NO_x z. B. durch das Erdalkalimetal loxid absorbiert, während Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwas serstoff (HC) durch das Platin zu Kohlendioxid und Wasser ka talytisch oxidiert werden. Durch intermittierenden kurzfri stigen fetten Betrieb des sonst mager betriebenen Otto-Motors wird das am Katalysator absorbierte NO_x durch die reduzieren den Gase, wie HC, zu Stickstoff reduziert und der Katalysator damit regeneriert (EP 0 645 173 B1).

Darüberhinaus wird nach der deutschen Patentanmeldung 196 51 492.4 zur Herabsetzung der NO_x-Emission von Diesel- und Otto- Mager-Motoren vorgeschlagen, als NO_x-Entfernungseinrichtung einen mit einer Alkalicarbonatschmelze getränkten porösen Ab sorberkörper zur Absorption des NO_x als Nitrat oder Nitrit zu verwenden, in welchem paarweise Elektroden zur elektrochemi schen Zersetzung des Nitrats und Nitrits zu Stickstoff ver teilt sind. Der flüssige alkalische Elektrolyt wird durch ei ne Alkalicarbonatschmelze gebildet.

Der NO_x-Speicher-Katalysator und die elektrochemische NO_x Stickoxid-Entfernungseinrichtung nach der deutschen Patentan meldung 196 51 492.4 führen zwar zu hohen Umwandlungsgraden. Jedoch läßt ihre Wirksamkeit während der langen Betriebszeit eines Kraftfahrzeuges spürbar nach.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Abgasreinigungsanla ge hoher Wirksamkeit und zugleich langer Haltbarkeit insbe sondere für Diesel- und Mager-Otto-Motoren bereitzustellen.

Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekennzeich neten Erfindung erreicht. In den Unteransprüchen sind vor teilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.

Die bekannten NO_x-Entfernungseinrichtungen in Abgasreini gungsanlagen, d. h. der NO_x-Speicher-Katalysator ebenso wie die elektrochemische Einrichtung nach der deutschen Patentan meldung 196 51 492.4, zeichnen sich dadurch aus, daß sie Me tallsalze oder -oxide enthalten, um das NO_x aus dem Abgas zu absorbieren.

Bei der Kraftstoffverbrennung entstehen Kohlendioxid und Was ser als Hauptprodukt. Beim Kaltstart bzw. einer kalten Abgas reinigungsanlage kann das bei der Verbrennung gebildete Was ser in der Abgasreinigungsanlage jedoch als flüssiges Wasser kondensieren. Wie festgestellt werden konnte, löst dieses Kondenswasser die Metallsalze oder -oxide in der NO_x-Entfer nungseinrichtung, insbesondere auch die daraus nach Absorpti on von NO_x gebildeten Nitrate und Nitrite. Dadurch wird das Absorptionsmittel nach und nach ausgewaschen, wodurch die Wirksamkeit der NO_x-Entfernungseinrichtung mit der Zeit nach läßt.

Dem wird erfindungsgemäß dadurch entgegengetreten, daß sich hinter, also abgasstromabwärts, der NO_x-Entfernungsein richtung ein Auffangbehälter für das salzhaltige Kondenswas ser befindet, das aus der NO_x-Entfernungseinrichtung aus tritt. Das Salz in dem Kondenswasser in dem Auffangbehälter wird dann zurückgeführt, während das Kondenswasser verdampft wird.

Das Salz in dem Kondenswasser im Auffangbehälter kann also das Metallsalz-Absorptionsmittel der NO_x-Entstickungsein richtung oder z. B. ein aus einem solchen Metallsalz oder Me talloxid gebildetes Metallnitrat oder -nitrit, aber auch z. B. ein aus einem Metalloxid und dem Kohlendioxid des Abga ses gebildetes Metallcarbonat sein.

Zur Zurückführung des Salzes ist vorzugsweise eine Leitung vorgesehen, durch die das salzhaltige Kondenswasser zurück zur NO_x-Entfernungseinrichtung strömt.

Die Rückführleitung mündet vorzugsweise eingangsseitig, also abgasstromaufwärts der Stickoxid-Entfernungseinrichtung in das Abgasrohr. Wenn die Abgasreinigungsanlage die Betrieb stemperatur erreicht hat, verdampft damit das Wasser, während die Salzpartikel von der NO_x-Entfernungseinrichtung wieder aufgenommen werden.

Die Förderung des Kondenswassers in der Rückführleitung kann z. B. durch eine elektrische oder mechanische Pumpe erfolgen. Vorzugsweise ist jedoch die Mündung der Rückführleitung in dem Abgasrohr als in Abgasströmungsrichtung ausgerichtete Dü se ausgebildet. Durch die hohen Abgasvolumenströme entsteht damit eine Saugwirkung (Wasserstrahlpumpenprinzip), durch die das Kondenswasser aus dem Auffangbehälter gesaugt wird. Zu gleich führt die Düse zu einer Zerstäubung des Kondenswassers im Abgas (Injektorprinzip), wodurch das Kondenswasser ver dampft und die feinen Salzpartikel regelmäßig in der NO_x Entfernungseinrichtung verteilt werden.

Statt dessen kann der Auffangbehälter für das Kondenswasser auch oberhalb der NO_x-Entfernungseinrichtung angeordnet sein, so daß die Rückführung des Kondenswassers durch Schwerkraft erfolgt.

Die Verdampfung des Kondenswassers kann ferner mit einer Ver dampferwanne erfolgen, die über der NO_x-Entfernungsein richtung angeordnet ist. Die Verdampferwanne weist vorzugs weise wenigstens eine Öffnung auf. Bei hinreichend hoher Tem peratur der Verdampferwanne verdampft das Kondenswasser, wo bei die darin enthaltenen Salze zurückbleiben und bei Errei chen der Schmelztemperatur durch die Öffnung in der Verdamp ferwanne in die NO_x-Entfernungseinrichtung fließen.

Die Rückführung mit der Verdampferwanne setzt also voraus, daß die Salze in dem Kondenswasser einen Schmelzpunkt auf weisen, der unterhalb der Betriebstemperatur der NO_x Entfernungseinrichtung liegt. Diese Voraussetzung ist insbe sondere bei der NO_x-Entfernungseinrichtung nach der deutschen Patentanmeldung 196 51 492.4 erfüllt, bei der die absorbier ten Stickoxide elektrochemisch zersetzt werden.

Das heißt, diese NO_x-Entfernungsanlage weist einen mit einem flüssigen, alkalischen Elektrolyten getrennten porösen Absor berkörper zur Absorption des NO_x als Nitrat und Nitrit und paarweise im Absorberkörper verteilte Elektroden zur elektro chemischen Zersetzung des Nitrats bzw. Nitrits zu Stickstoff auf. Der flüssige alkalische Elektrolyt wird vorzugsweise durch eine Salzschmelze gebildet, die zumindest teilweise aus Alkalicarbonat besteht. Vorzugsweise ist das Alkalicarbonat ein Gemisch der Carbonate von Lithium, Natrium und Kalium. Vorzugsweise wird als Salz ein Gemisch aus Alkali- und/oder Erdalkali-Carbonat und einem Alkali- und/oder Erdalkalinitrat und/oder -nitrit verwendet. Der poröse Absorberkörper kann aus Lithiumaluminat, gegebenenfalls lithiiertem Ceroxid oder Zirkonoxid oder Lithiumzirkonat bestehen. Da die NO_x- Entfernungseinrichtung nach der deutschen Patentanmeldung 196 51 492.4 eine besonders bevorzugte NO_x-Entfernungseinrichtung für die erfindungsgemäße Abgasreinigungsanlage darstellt, wird auf diese deutsche Patentanmeldung auch im übrigen vollumfänglich Bezug genommen.

Außerdem ist die erfindungsgemäße Abgasreinigungsanlage vor teilhaft bei NO_x-Speicher-Katalysatoren anwendbar, also Kata lysatoren, die auf einem Träger eine poröse Beschichtung, z. B. aus Aluminiumoxid, aufweisen, die einerseits Metallsalze und/oder -oxide enthält, die Stickoxide aus dem Abgas von Dieselmotoren und Otto-Motoren absorbieren, und andererseits Edelmetalle, wie Platin. Bei dem normalen Betrieb des Diesel- bzw. Otto-Mager-Motors wird das gebildete NO_x durch das Metallsalz bzw. -oxid absorbiert, während CO und HC durch den Edelmetallkatalysator zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert werden. Durch intermittierenden Betrieb mit fetterem Abgas wird das an die Metallsalze bzw. -oxide absorbierte NO_x z. B. durch HC oder CO zu Stickstoff reduziert und damit das Ab sorptionsmittel regeneriert.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung beispiels weise näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:

Fig. 1 eine Abgasreinigungsanlage; und

Fig. 2 und 3 eine Kondenswasserverdampfungseinrichtung nach einer ersten bzw. zweiten Ausführungsform.

Gemäß Fig. 1 weist ein Verbrennungsmotor 1 eine Abgasreini gungsanlage auf, bei der in einem Abgasrohr 2 nacheinander, also in Abgasströmungsrichtung, ein Oxidationskatalysator 3, eine NO_x-Entfernungseinrichtung 4 und ein Kondenswasserauf fangbehälter 5 angeordnet sind. Der Auffangbehälter 5 ist über eine Kondenswasserrückführleitung 6 mit der NO_x-Entfer nungseinrichtung 4 verbunden. Der Oxidationskatalysator 3 kann beispielsweise ein Edelmetallkatalysator, insbesondere ein Platinkatalysator sein, mit dem CO und HC oxidiert wer den, ferner NO_x im wesentlichen zu NO₂.

Die NO_x-Entfernungseinrichtung 4 kann als elektrochemische NO_x-Entfernungseinrichtung nach der deutschen Patentanmeldung 196 51 492.4 ausgebildet sein. Dazu ist eine Batterie 7 vor gesehen, die über die gestrichelt dargestellte elektrische Leitung mit den Elektroden dieser elektrochemischen NO_x Entfernungseinrichtung 4 verbunden ist.

Gemäß Fig. 2 ist die Mündung der Kondenswasserrückführleitung 6 vor der NO_x-Entfernungseinrichtung 4 in dem Abgasrohr 2 an geordnet. Die Mündung der Leitung 6 ist als in Richtung des Abgasstromes 8 gerichtete Düse 9 ausgebildet. Durch die hohe Geschwindigkeit des Abgasstromes 8 entsteht damit eine Saug wirkung (Wasserstrahlpumpenprinzip), durch die das Kondens wasser aus dem Auffangbehälter 5 gesaugt wird. Das Kondens wasser wird dabei zerstäubt und verdampft, während die darin enthaltenen Salze fein und regelmäßig auf dem NO_x-absor bierenden Material der NO_x-Entfernungsreinrichtung 4 verteilt und damit wieder von ihr aufgenommen werden.

Nach Fig. 3 weist die NO_x-Entfernungseinrichtung 4 eine Ver dampferwanne 10 auf, die im Querschnitt trichterförmig mit einer mittleren Öffnung 11 ausgebildet ist. Die Kondenswas serrückführleitung 6 mündet oberhalb der Verdampferwanne 10 im Abstand von der Öffnung 11. Das Kondenswasser kann dabei durch Schwerkraft, also durch Anordnung des Auffangbehälters 5 in dem Abgasrohr 2 oberhalb der NO_x-Entfernungseinrichtung 4 zugeführt werden.

Wenn bei der Ausführungsform nach Fig. 2 oder 3 sich die NO_x- Entfernungseinrichtung 4 auf einer Temperatur unterhalb des Taupunkts des Wasserdampfs befindet, strömt das Kondenswasser vom Auffangbehälter 5 über die NO_x-Entfernungseinrichtung 4 im Kreislauf zum Auffangbehälter zurück.

Bei höherer, insbesondere Betriebstemperatur der Abgasreini gungsanlage, verdampft das Wasser bei der Ausführungsform nach Fig. 2 nach Eintritt in das Abgasrohr 2 bzw. nach Fig. 3 beim Auftreffen auf die Verdampferwanne 10.

Damit scheiden sich bei der Ausführungsform nach Fig. 3 die Salze in dem Kondensationswasser auf der Verdampferwanne 10 ab. Bei Erreichen der Schmelztemperatur fließen die dann flüssigen Salze durch die Öffnung 11 in den unteren Teil der NO_x-Entfernungseinrichtung 4 zu dem NO_x-absorbierenden Mate rial zurück.

Claims

1. Abgasreinigungsanlage für einen Verbrennungsmotor mit ei ner Einrichtung zur Stickoxid-Entfernung, die Metallsalze und/oder -oxide enthält, gekennzeichnet durch einen ab gasstromabwärts der Stickoxid-Entfernungseinrichtung (4) angeordneten Auffangbehälter (5) zur Aufnahme des aus der Stickoxid-Entfernungseinrichtung (4) austretenden Kon denswassers und eine Einrichtung zur Rückführung von Sal zen in dem Kondenswasser des Auffangbehälters (5) zu der Stickstoffoxid-Entfernungseinrichtung (4)

2. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Metallsalze und -oxide zur Absorption von Stickoxiden aus dem Abgas von Diesel- und Otto-Mager- Motoren ausgebildet sind.

3. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Metallsalze und -oxide zur Reduktion der absorbierten Stickoxide im fetten Abgas ausgebildet sind.

4. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Stickoxid-Entfernungseinrichtung (4) Elektroden zur elektrochemischen Zersetzung der absor bierten Stickoxide aufweist.

5. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1 und 4, dadurch ge kennzeichnet, daß das Metallsalz durch eine Salzschmelze gebildet wird.

6. Abgasreinigungsanlage nach einem der vorstehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallsalze und -oxide durch Alkali-, Erdalkali- und/oder Seltenerdmetal loxide und/oder -salze gebildet sind.

7. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 5 und 6, dadurch ge kennzeichnet, daß das Metallsalz zumindest teilweise aus Alkalicarbonat besteht.

8. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Einrichtung zur Rückführung der Salze vom Auffangbehälter (5) zur Stickstoffoxid-Entfernungs einrichtung (4) durch ein Rückführleitung (6) für das Kondenswasser gebildet wird.

9. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Rückführleitung (6) abgasstromaufwärts der Stickoxid-Entfernungseinrichtung (4) in das Abgasrohr (2) mündet.

10. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Mündung der Rückführleitung (6) als in Abgasströmungsrichtung (8) gerichtete Düse (9) ausgebil det ist.

11. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Auffangbehälter (5) zur Rückführung der Salze durch Schwerkraft höher als die Stickoxid- Entfernungseinrichtung (4) angeordnet ist.

12. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 1 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführleitung (6) an einer Verdampferwanne (10) mündet, die oberhalb der Stickoxid- Entfernungseinrichtung (4) angeordnet ist.

13. Abgasreinigungsanlage nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die Verdampferwanne (10) wenigstens eine Öffnung (11) zum Flüssigkeitsdurchtritt zu der Stickoxid- Entfernungseinrichtung (4) aufweist.