DE112004001449T5

DE112004001449T5 - Beseitigung von Stickoxiden während eines Kaltstarts eines Magermotors

Info

Publication number: DE112004001449T5
Application number: DE112004001449.2T
Authority: DE
Inventors: Wei Li; David R. Monroe
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-08-07
Filing date: 2004-06-24
Publication date: 2014-04-17
Also published as: US20050028518A1; WO2005016480A3; CN1829856A; KR100801675B1; US6938412B2; WO2005016480A2; KR20060076273A; CN100529339C

Abstract

Es sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Beseitigen von NOx aus einem Abgasstrom eines Magermotors während eines Kaltstarts des Motors vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst eine eng gekoppelte LNT, die mit einer Haupt-LNT über eine Hohlleitung gekoppelt ist. NOx von dem kalten Abgas wird zu Beginn an der eng gekoppelten LNT gespeichert. Wenn sich das Motorabgas erwärmt, erreicht die eng gekoppelte LNT ihre Betriebstemperatur und reduziert das gespeicherte NOx zu N2. Wenn die Temperatur der eng gekoppelten LNT ungefähr 350°C erreicht, wird NOx von der eng gekoppelten LNT freigegeben, an der Haupt-LNT absorbiert und während kraftstoffreicher Bedingungen in N2 umgewandelt. Die eng gekoppelte LNT kann, nachdem der Motor ausgeschaltet worden ist, durch Bereitstellung von Wärme regeneriert werden. Das während der Regeneration freigegebene NOx der eng gekoppelten LNT wird von der Haupt-LNT absorbiert. Das an der Haupt-LNT gespeicherte NOx kann während des nächsten Fahrzeugbetriebes zu N2 reduziert werden.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die katalytische Reduktion von Stickoxiden in Motorabgas, und im Besonderen die Reduktion von NOx-Emissionen aus einem Abgasstrom während eines Kaltstarts eines Magermotors.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bestimmte Verbindungen im Abgasstrom eines Verbrennungsprozesses, wie etwa im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors, sind deshalb unerwünscht, weil ihre Freigabe an die Umwelt einen Beitrag zu schlechterer Luftqualität leistet. Infolgedessen müssen sie gesteuert werden, um die Umwelt zu schützen und staatliche Emissionsvorschriften zu erfüllen oder zu übertreffen. Unter solchen unerwünschten Verbindungen sind Stickoxide, die als NOx bezeichnet werden. Es gibt eine breite Vielfalt von Verbrennungsprozessen, die NOx erzeugen, wie etwa mit Kohle oder Öl befeuerte Öfen, Kolben-Verbrennungsmotoren (die Benzin- und Dieselmotoren umfassen) und Gasturbinenmotoren. In jedem dieser Verbrennungsprozesse werden Steuerungsmaßnahmen benötigt, um NOx-Emissionen an die Atmosphäre zu verhindern oder zu vermindern, damit die Luftqualität verbessert wird und staatliche Vorschriften eingehalten werden.
Um Verunreinigungen (z. B. NOx, CO und Kohlenwasserstoffe) aus einem Abgasstrom eines Motors zu beseitigen, sind in Kraftfahrzeuge katalytische Wandler eingebaut worden, die einen Dreiwegekatalysator enthalten. Bei den meisten Fahrzeugen für geringe Last in den Vereinigten Staaten arbeiten die Fahrzeugmotoren in einem stöchiometrischen Modus, d. h. stöchiometrische Mengen von Kraftstoff und Luft werden in den Motor eingespeist, und nach der Verbrennung enthält der Abgasstrom grob gleiche Mengen an Restsauerstoff und Reduktionsmitteln (z. B. Kohlenwasserstoffe, CO und H₂). In diesem Abgasstrom können die Dreiwegekatalysatoren NOx zu N₂ reduzieren und CO, H₂ und Kohlenwasserstoffe zu CO₂ und H₂O oxidieren. Jedoch können in einem kraftstoffreichen Abgas CO und Kohlenwasserstoffe wegen einer unzureichenden Menge von in dem Abgas vorhandenen Sauerstoff nicht vollständig zu CO₂ und H₂O oxidiert werden. Andererseits kann in einem kraftstoffarmen Abgas NOx wegen einer unzureichenden Menge an Reduktionsmitteln und einem Überschuss an Sauerstoff in dem Abgas nicht vollständig zu N₂ reduziert werden.
Magermotoren arbeiten typischerweise in einem kraftstoffarmen Modus, d. h. es wird eine die stöchiometrische Menge übersteigende Menge an Luft mit Kraftstoff in die Motorzylinder eingespeist. Im Vergleich mit stöchiometrischen Motoren bieten Magermotoren eine bessere Kraftstoffwirtschaftlichkeit. Ein typisches Beispiel eines Magermotors ist ein Dieselmotor. Jedoch macht der kraftstoffarme Abgasstrom von den Magermotoren die Dreiwege-Katalysatoren zum Umwandeln von NOx in N2 und zum Reduzieren von NOx-Emissionen am Auspuffendrohr aufgrund des oben erwähnten Grundes ungeeignet. Mager-NOx-Fallen oder Speicherkatalysatoren, die manchmal LNT genannt werden, werden als eine der führenden Technologien zum Beseitigen von NOx aus dem Abgasstrom von Magermotoren angesehen. Sie enthalten Katalysatoren, die NOx zu N₂ reduzieren, und Verbindungen (wie Metallnitrate), die NOx als Nitrate speichern können. Jedoch arbeiten die meisten LNT in einem Temperaturbereich von etwa 250–550°C am effektivsten und es ist wahrscheinlicher, dass unerwünschte NOx-Emissionen in die Atmosphäre bei Temperaturen außerhalb dieses Bereiches auftreten. Bei Temperaturen unter etwa 250°C, wie etwa bei einem Kaltstart eines Motors, wandelt die LNT in einem kraftstoffarmen Modus NOx nicht effektiv in Nitrate (zur Speicherung) oder in einen kraftstoffreichen Modus freigegebenes NOx nicht effektiv in N₂ um. Wenn die LNT-Temperatur über ungefähr 550°C liegt, sind die Metallnitrate nicht stabil genug, um das NOx zu speichern.
Trotz der Bemühungen, eine Vorrichtung oder ein System zu entwickeln, welche effektiv sind, um NOx zu Stickstoff in einem Magermotor (wie etwa einem Dieselmotor) zu reduzieren, ist deshalb der Bedarf nach einer angemessenen Umwandlungseffektivität unerfüllt geblieben. Darüber hinaus gibt es einen anhaltenden Bedarf nach einer verbesserten Effektivität bei der Behandlung von NOx-Emissionen aus jedem beliebigen Verbrennungsprozess, aber insbesondere während eines Kaltstarts eines Motors.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Vorrichtung zum selektiven Beseitigen von NOx aus dem Abgasstrom eines Magermotors während eines Kaltstarts eines Motors vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst eine eng oder geschlossen gekoppelte LNT, die mit einer Haupt-LNT verbunden ist. Die eng gekoppelte LNT kann eine kleinere Größe als die Haupt-LNT aufweisen. Zusätzlich kann die eng gekoppelte LNT unter der Motorhaube eines Kraftfahrzeugs angeordnet sein, und die Haupt-LNT kann an einer Stelle unter dem Boden (z. B. unter dem Boden des Fahrgastraums) angeordnet sein. Die Vorrichtung kann darüber hinaus eine elektrische Heizung umfassen, um die eng gekoppelte LNT auf eine Temperatur zu erwärmen, bei der die eng gekoppelte LNT jegliches gespeichertes NOx freigeben wird, z. B. ungefähr 600°C. Es kann auch eine Luftpumpe vorgesehen sein, um Luft zu der eng gekoppelten LNT zu pumpen.
Ein Verfahren zum selektiven Beseitigen von NOx aus dem Abgasstrom eines Magermotors während eines Kaltstarts eines Motors umfasst, dass das Abgas nacheinander durch eine erste (eng gekoppelte) LNT und eine zweite (Haupt-)LNT hindurchgeleitet wird. Die eng gekoppelte LNT und die Haupt-LNT enthalten Katalysatoren, die eine Reduktion von NOx zu N₂ katalysieren, und Verbindungen, die NOx als Nitrate speichern können. Während eines Kaltstarts wird NOx, das in dem den Motor verlassenden Abgas enthalten ist, zu Beginn an der eng gekoppelten LNT gespeichert. Wenn sich der Motor aufwärmt, heizt er die eng gekoppelte und die Haupt-LNT. Wenn die eng gekoppelte LNT durch das heiße Abgas über die Umgebungstemperatur erwärmt worden ist, erreicht sie ihre katalytische Temperatur (typischerweise 250°) und wird katalytisch aktiv, um NOx in N₂ umzuwandeln, wenn überschüssige Reduktionsmittel den Motor verlässt (z. B. Kohlenwasserstoffe, CO oder H₂) verfügbar sind.
Wenn die Temperatur der eng gekoppelten LNT höher ist als etwa 350°C, kann das gespeicherte NOx unter fetten sowie mageren Modi freigegeben werden. In einem kraftstoffreichen Modus wird das freigegebene NOx durch die Katalysatoren an der eng gekoppelten LNT in N2 umgewandelt. In einem kraftstoffarmen Modus wird die eng gekoppelte LNT auch das gespeicherte NOx freigeben. Jedoch kann das freigegebene NOx aufgrund des Mangels an verfügbaren Reduktionsmitteln nicht an der eng gekoppelten LNT in N2 umgewandelt werden. Da die Haupt-LNT weiter von dem Auspuffkrümmer des Motors weg angeordnet ist als die eng gekoppelte LNT, ist die Temperatur der Haupt-LNT im Allgemeinen niedriger als die der eng gekoppelten LNT. NOx, das von der eng gekoppelten LNT freigegeben wird, wird an der Haupt-LNT gespeichert, an der es während kraftstoffreicher Modi zu N₂ reduziert werden kann.
Es ist auch ein Verfahren zum Reduzieren des Gesamt-NOx, das während des Betriebes eines einen Magermotor enthaltenden Fahrzeugs an die Umwelt freigegeben wird, vorgesehen. Der Kaltstartbetrieb und der Motorbetrieb werden wie oben ausgeführt. Nachdem der Motor ausgeschaltet worden ist, kann die eng gekoppelte LNT regeneriert werden, wie etwa durch Erwärmen und durch Luft, die durch eine Heizung bzw. ein Luftströmungselement geliefert werden. Die Heizung an der eng gekoppelten LNT und ein Luftströmungselement, z. B. eine Luftpumpe, können für einen kurzen Zeitraum (z. B. 30 Sekunden) eingeschaltet werden, um die eng gekoppelte LNT auf eine Temperatur zu erwärmen, bei der die eng gekoppelte LNT ihr absorbiertes NOx freigeben wird (z. B. ungefähr 600°C). Das NOx, das während dieser Regenerierung der eng gekoppelten LNT freigegeben wird, kann durch die Haupt-LNT absorbiert werden, wodurch wenig oder kein NOx in die Atmosphäre abgegeben wird. Die eng gekoppelte LNT kann dann in der Luft abkühlen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Vorteile dieser Erfindung werden nach Betrachtung der folgenden ausführlichen Offenbarung der Erfindung deutlich werden, insbesondere in Verbindung genommen mit den begleitenden Zeichnungen, in denen:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung für die Beseitigung von NOx gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine graphische Darstellung der NOx-Konzentration an dem Ausgang der Haupt-Mager-NOx-Falle (Haupt-LNT) mit einer mageren Abgaszufuhr ist, die 250 ppm NO enthält, während einer NOx-Speicherkapazitätsmessung bei 150°C;
3 eine graphische Darstellung einer Motorausgangsemission und von Temperaturdaten während eines Zyklus 1 einer Kaltstarttestprozedur FTP (U.S. Federal Test Procedure) ist; und
4 eine graphische Darstellung der NOx-Konzentration am Ausgang einer Haupt-Mager-NOx-Falle (Haupt-LNT) mit einer mageren Abgaszufuhr ist, die 250 ppm NO enthält, während einer NOx-Speicherkapazitätsmessung bei 150°C, einem Temperaturanstieg auf bis zu ungefähr 600°C und einem anschließenden Abkühlen auf 150°C.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es ist bekannt, dass Verbrennungsmotoren in kraftstoffreichen (fetten), stöchiometrischen oder kraftstoffarmen (mageren) Modi im Hinblick auf ein Kraftstoff/Sauerstoff-Verhältnis arbeiten können. Wenn beispielsweise ein Motor in einem kraftstoffreichen Modus arbeitet, enthält der Abgasstrom nach der Verbrennung in den Motorzylindern überschüssige Reduktionsmittel (z. B. Kraftstoff, CO und H2) und kaum Sauerstoff. Wenn andererseits der Motor in einem kraftstoffarmen Modus arbeitet, enthält der Abgasstrom überschüssigen Sauerstoff und wenige Reduktionsmittel. Wenn der Motor in einem stöchiometrischen Modus arbeitet, der der herkömmliche Betriebsmodus für Benzinmotoren ist, enthält der Abgasstrom eine ungefähr gleiche Menge an restlichem Sauerstoff und Reduktionsmitteln. Für Magermotoren können Dreiwegekatalysatoren NOx-Emissionen nicht effektiv aus dem kraftstoffarmen Abgas beseitigen. Deshalb sind neuartige Katalysatortechnologien, wie etwa die Mager-NOx-Fallen oder Speicherkatalysatoren, entwickelt worden, um dieses Problem anzugehen. Damit die LNTs NOx-Emissionen effektiv entfernen können, arbeiten die Motoren meistens in einem kraftstoffarmen Modus mit Ausschlägen des Betriebes in einen kraftstoffreichen Modus. Während des kraftstoffarmen Modus wird das NOx in dem Abgasstrom durch die LNTs absorbiert, so dass sich Metallnitrate bilden. Während des kraftstoffreichen Modus zersetzen sich die Nitrate und geben NOx frei. Das freigegebene NOx wird in dem fetten Abgas durch überschüssige Reduktionsmittel zu N2 reduziert. Somit gelangt während kraftstoffarmer sowie kraftstoffreicher Modi sehr wenig NOx durch die LNT hindurch und in die Emissionen am Auspuffendrohr. Das Betriebstemperaturfenster für LNTs beträgt typischerweise zwischen 250 und 550°C.
Bevor ein Motor gestartet wird, befindet sich der LNT-Katalysator auf Umgebungstemperatur. Sobald der Motor gestartet worden ist, wird der Katalysator langsam durch das heiße Abgas von dem Motor erwärmt. In den ersten paar Minuten liegt die Katalysatortemperatur wesentlich unter 250°C, z. B. 50–150°C. Dieser Zeitraum, wenn ein Motor gestartet wird, aber der Katalysator bei einer Temperatur unter seiner Betriebstemperatur liegt, wird ”Kaltstart” genannt.
In 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Beseitigen von NOx während eines derartigen Kaltstarts eines Motors gemäß der vorliegenden Erfindung zu sehen. Im Besonderen kombiniert die Vorrichtung eine eng gekoppelte Kaltstart-LNT (Mager-NOx-Falle) 11 mit einer Haupt-LNT (Mager-NOx-Falle) 12. Die eng gekoppelte LNT 11 kann eine kleinere Größe als die Haupt-LNT 12 aufweisen. Wie es in 1 gezeigt ist, kann die eng gekoppelte LNT 11 unter der Motorhaube eines Kraftfahrzeugs angeordnet sein, und die Haupt-LNT 12 kann unter einem Boden des Kraftfahrzeugs, z. B. unter dem Boden des Fahrgastraums, angeordnet sein. Somit kann die Haupt-LNT 12 an einer Stelle angeordnet sein, die weiter von dem Auspuffkrümmer des Motors weg liegt als die eng gekoppelte LNT 11. Die eng gekoppelte LNT 11 kann mit der Haupt-LNT 12 durch eine Hohlleitung 16 verbunden sein, die den Hindurchtritt eines Abgasstromes zulässt. Während eines Kaltstarts eines Motors, z. B. wenn die Katalysatortemperatur unter 250°C liegt, wird Abgas von dem Motor 13 zu der Kaltstart-LNT 11 gelenkt. Das NOx von dem kalten Abgas wird in der eng gekoppelten LNT 11 gespeichert, bevor die eng gekoppelte LNT 11 und die Haupt-LNT 12 ihre jeweiligen Betriebstemperaturen, ungefähr 250–450°C bzw. ungefähr 250–500°C, erreichen. Das gespeicherte NOx wird in einem kraftstoffarmen Modus von der eng gekoppelten LNT 11 nicht freigegeben, bis die eng gekoppelte LNT 11 ungefähr 350°C erreicht. Wenn die Temperatur der eng gekoppelten LNT 11 zwischen 250 und 350°C liegt, wird daher das gespeicherte NOx nur in einem kraftstoffreichen Modus freigegeben, wenn überschüssige Reduktionsmittel (z. B. Kohlenwasserstoffe, CO oder H2) verfügbar sind. Da die eng gekoppelte LNT 11 bei diesen Temperaturen katalytisch aktiv ist, reduziert die eng gekoppelte LNT 11 das freigegebene NOx zu N2.
Wenn die Temperatur der eng gekoppelten LNT höher ist als 350°C, kann das gespeicherte NOx in kraftstoffreichen sowie kraftstoffarmen Modi freigegeben werden. In einem kraftstoffreichen Modus wird das freigegebene NOx durch die Katalysatoren an der eng gekoppelten LNT in N2 umgewandelt. In einem kraftstoffarmen Modus wird die eng gekoppelte LNT auch das gespeicherte NOx freigeben. Jedoch wird das freigegebene NOx aufgrund des Mangels an verfügbaren Reduktionsmitteln nicht an der eng gekoppelten LNT in N2 umgewandelt. Da die Haupt-LNT weiter von dem Auspuffkrümmer des Motors weg angeordnet ist als die eng gekoppelte LNT, wird die Temperatur der Haupt-LNT niedriger sein als die der eng gekoppelten LNT, und infolgedessen wird das freigegebene NOx an der Haupt-LNT gespeichert und während kraftstoffreicher Modi zu N2 reduziert.
Sobald die eng gekoppelte LNT 11 eine Betriebstemperatur erreicht, die einer effektiven katalytischen Temperatur entspricht (z. B. ungefähr 250–450°C) kann der Motor 13 in einem kraftstoffarmen Modus mit einem periodischen Betrieb in einem kraftstoffreichen Modus arbeiten, um das NOx, das an der eng gekoppelten LNT 11 gespeichert ist, in N2 umzuwandeln. Der Motor 13 kann beispielsweise in einer zwischen mager und fett zyklisch wechselnden Betriebsart arbeiten, wie etwa 30 Sekunden mager/2 Sekunden fett, wobei man aber nicht darauf beschränkt ist. Während des kraftstoffreichen Modus weist das Abgas von dem Motor 13 einen niedrigen Sauerstoffgehalt und einen hohen Gehalt an Reduktionsmitteln wie CO und H2 auf. Diese Reduktionsmittel können das NOx, das an der eng gekoppelten LNT 11 gespeichert ist, zu Stickstoff (N2) reduzieren. In kraftstoffreichen Zuständen wird jegliches NOx, das von der eng gekoppelten LNT 11 freigegeben wird und nicht durch die Reduktionsmittel umgewandelt worden ist, an der Haupt-LNT 12 absorbiert, da die Haupt-LNT 12 auf einer niedrigeren Temperatur liegt als die eng gekoppelte LNT 11. Infolgedessen wird wenig, wenn überhaupt, NOx von der Haupt-LNT 12 durch das Auspuffendrohr 17 und in die Umwelt freigegeben.
Vor einem Kaltstart eines Motors weist die eng gekoppelte LNT 11 eine hohe NOx-Speicherkapazität auf. Nachdem der Motor 13 eingeschaltet worden ist und die eng gekoppelte LNT 11 dazu verwendet worden ist, NOx zu speichern und das gespeicherte NOx in N₂ umzuwandeln, weist jedoch die eng gekoppelte LNT 11 eine reduzierte Speicherkapazität für NOx auf. Deshalb kann die eng gekoppelte LNT 11 nach jeder Verwendung regeneriert werden. In einer Ausführungsform kann die eng gekoppelte LNT, wie etwa die, die in 1 dargestellt ist, regeneriert werden, indem sie über eine Temperatur erwärmt wird, bei der die Verbindungen in der LNT NOx freigeben. In 1 beispielsweise wird zum Regenerieren der eng gekoppelten LNT 11 der Motor 13 ausgeschaltet und eine Heizung 15 (z. B. eine elektrische Heizung) an der eng gekoppelten LNT 11 und ein Luftströmungselement 14 (z. B. ein Luftpumpe) werden für einen kurzen Zeitraum, z. B. 30 Sekunden eingeschaltet. Da die NOx an den LNTs 11 und 12 als Nitrate gespeichert werden, zersetzen sie sich bei erhöhten Temperaturen und geben NOx frei. Wenn die eng gekoppelte LNT 11 durch die Heizung 15 erwärmt wird, gibt somit die eng gekoppelte LNT 11 ihr gespeichertes NOx frei. Das freigegebene NOx wird dann von der Haupt-LNT 12 absorbiert. Das absorbierte NOx wird anschließend während des nächsten Fahrzeugbetriebes zu N2 reduziert. Da das NOx, das von der eng gekoppelten LNT 11 freigegeben wird, von der Haupt-LNT 12 absorbiert wird, gibt es während dieser Regeneration der NOx-Speicherkapazität für die eng gekoppelte LNT 11 eine minimale, wenn überhaupt, Freigabe von NOx durch die Haupt-LNT 12. Zusätzlich wird die eng gekoppelte LNT 11 eine ausreichende Speicherkapazität für den nächsten Kaltstart des Motors aufweisen.
Jeder LNT-Katalysator hat eine feste Kapazität zur NOx-Speicherung, die der Menge an NOx-Speicherkomponenten (z. B. Alkalimetall, Erdalkalimetalle und/oder Seltenerdmetalle) in dem Katalysator entspricht. Wenn der Katalysator gesättigt ist, z. B. wenn alle NOx-Speicherkomponenten durch NOx in Nitrate umgewandelt worden sind, kann die LNT nicht langer NOx speichern. Bevor diese volle Speicherkapazität erreicht ist, sollte das Abgas, das die LNT verlässt, idealerweise kein NOx enthalten, d. h. ein NOx-Durchbruch von Null. Selbst wenn der Katalysator der eng gekoppelten LNT eine Speicherkapazität von 50% aufweist, nähert sich jedoch die NOx-Konzentration am Ausgang, d. h. der NOx-Durchbruch, wie es in 2 gezeigt ist, bei 150°C 60% der NOx-Konzentration am Einlass an. Dieser NOx-Durchbruch zeigt an, dass die LNT nur ungefähr 40% des hereinkommenden NOx speichern kann, selbst wenn sie noch etwa 50% NOx-Speicherkapazität aufweist.
Damit folglich eine eng gekoppelte LNT einen niedrigen NOx-Durchbruch aufweist und NOx-Emissionen während Kaltstarts eines Motors effizient reduziert, sollte die eng gekoppelte LNT den größten Teil ihrer NOx-Speicherkapazität behalten. Infolgedessen wird in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die eng gekoppelte LNT 11 vor jedem Kaltstart eines Motors regeneriert. Der Regenerationsprozess wandelt die gespeicherten Metallnitrate in Metalloxide, -carbonate oder -hydroxide um und kann sowohl in kraftstoffreichen als auch kraftstoffarmen Abgasen durchgeführt werden. Die Regeneration in einem kraftstoffreichen Abgas kann bei niedrigeren Temperaturen ausgeführt werden. Bei 150°C jedoch gewann die eng gekoppelte LNT 11 nach einer Regeneration für eine Minute in einem kraftstoffreichen Abgas nur etwa 50% ihrer Kapazität zurück (siehe 4). In einem kraftstoffarmen Abgas gewann die eng gekoppelte LNT ihre volle Speicherkapazität nach einer 30-sekündigen Regeneration bei 600°C zurück (siehe 4). Um sicherzustellen, dass die regenerierte, eng gekoppelte LNT ihre volle Speicherkapazität behält, sollte sie in einem NOx-freien Abgas abgekühlt werden.
Sowohl die eng gekoppelte LNT 11 als auch die Haupt-LNT 12 können aus einem bienenwabenartigen Substrat hergestellt werden, wobei die Innenwände mit zumindest einem Katalysator beschichtet sind. Die Katalysatoren enthalten typischerweise Edelmetalle (z. B. Pt, Pd und/oder Rh), und die NOx-Speichermaterialien umfassen Oxide, Hydroxid und/oder Carbonate von Alkalimetallen (z. B. Li, Na oder K), Erdalkalimetallen (z. B. Ca, Sr oder Ba) oder Metalle der Lanthangruppe (z. B. La, Ce, usw.), Verbindungen, die Elemente enthalten, die stabile Nitrate bilden (z. B. Alkalimetall, Erdalkalimetalle und/oder Seltenerdmetalle), oder eine Kombination derartiger Elemente, wobei man aber nicht darauf beschränkt ist.
In einem kraftstoffarmen Modus wird NOx in dem Abgas oxidiert und als Nitrate an dem LNT-Katalysator gespeichert. Das gespeicherte NOx kann sowohl unter kraftstoffreichen als auch kraftstoffarmen Bedingungen abhängig von der Katalysatortemperatur und der Katalysatorformulierung freigegeben werden. Beispielsweise ist Barium eine üblicherweise in NOx-Speicherkatalysatoren verwendete Komponente. Bariumnitrat ist in einem kraftstoffarmen Abgas bei Temperaturen bis zu ungefähr 600°C stabil. Jedoch wird sich Bariumnitrat bei Temperaturen so niedrig wie 250°C in einem kraftstoffreichen Abgas zersetzen und NOx freigeben. Daher wird eine LNT unter normalen Betriebsbedingungen für Magermotoren in einem mageren Modus kein NOx freigeben, da die Abgastemperatur typischerweise unter 600°C liegt. Das freigegebene NOx wird in einem kraftstoffarmen Abgas oder in einem kraftstoffreichen Abgas NOx bleiben, bevor die LNT ihren Betriebstemperaturbereich, z. B. 250–550°C erreicht. Darüber hinaus wird das freigegebene NOx von der LNT in einem fetten Abgas in N2 umgewandelt, wenn die LNT ihre Betriebstemperatur erreicht.
Nachdem diese Erfindung allgemein beschrieben worden ist, kann ein weiteres Verständnis anhand nachstehend angegebener bestimmter besonderer Beispiele erlangt werden, die lediglich zu Darstellungszwecken angegeben sind und nicht allumfassend oder beschränkend sein sollen, es sei denn, es ist anders angegeben.
Die nachstehend angeführte Tabelle 1 zeigt die experimentellen Bedingungen für die folgenden Beispiele. Die Gesamtströmungsrate betrug 6 Liter pro Minute. Tabelle 1

Zufuhr-Zusammensetzung

Mager Fett

O₂ 10% 0

CO 0 3,6%

NO 250 ppm 0 oder 60 ppm

H₂ 0 1,2%

HC 0 200 ppm

H₂O 5% 5%

CO₂ 5% 5%
Beispiel 1
In 2 ist das NOx-Konzentrationsprofil am Ausgang einer Haupt-LNT mit einer kraftstoffarmen Luftzufuhr, die 250 ppm NO enthält, während einer Speicherkapazitätsmessung bei 150°C zu sehen. Zum Zeitpunkt O wurde ein Gasstrom von einer kraftstoffreichen Zufuhr, die kein NO enthielt, zu einer kraftstoffarmen Luftzufuhr, die ungefähr 250 ppm NO enthielt, umgeschaltet. Die Differenz zwischen der NOx-Konzentration am Ausgang und der NOx-Konzentration am Einlass (250 ppm), die mit einem Chemilumineszenz-NOx-Analysator gemessen wurde, entspricht der von den Katalysator absorbierten Menge an NOx. Es wurde eine leere Cordieritprobe dazu verwendet, die Strömungsdynamik zu korrigieren. Das Integrieren der Differenz zwischen den NOx-Konzentrationen am Auslass nach dem leeren Cordierit und dem Katalysator über die Zeit ergibt die Gesamtmenge an von dem Katalysator absorbiertem NO, d. h. ergibt die Speicherkapazität.
Nach ungefähr 200 Sekunden näherte sich die NOx-Konzentration am Auslass der NOx-Konzentration am Einlass an, erreichte sie aber nicht, z. B. erreichte das NOx am Auslass 250 ppm. Dieses Ergebnis legt nahe, dass, obwohl der Großteil der Speicherung von NOx in den ersten 200 Sekunden der Messung abgeschlossen war, es noch einen zusätzlichen, obwohl viel langsameren Speicherprozess von NOx gab, der weiterhin auftrat, nachdem die ersten 200 Sekunden verstrichen waren. Obwohl es nicht erwünscht ist, an die Theorie gebunden zu sein, kann dieser zusätzliche Speicherprozess aufgrund von NOx-Absorption an dem Aluminiumoxidträger vorliegen. Da dies jedoch ein viel langsamerer Prozess ist, spielt er bei der Fähigkeit der LNT, während eines Kaltstarts des Motors NOx aus einem Abgasstrom eines Motors zu beseitigen, eine relativ unbedeutende Rolle.
Unter Verwendung einer Abschätzung der absorbierten Menge an NOx unter Ausschluss des Beitrages von der langsameren NOx-Absorption wurde die Speicherkapazität als ungefähr 0,6 Gramm NO/L Katalysator berechnet. Andererseits wurde während eines FTP-(U.S. Federal Test Procedure)Fahrzyklus die kumulative NOx-Emission aus dem Motor heraus während eines Kaltstarts (z. B. weniger als ungefähr 200°C) für einen 4,9 L Motor als ungefähr 0,1–0,2 Gramm bestimmt (siehe 3). Wie es in 3 gezeigt ist, begann ein wesentlicher NOx-Durchbruch nach nur den ersten 50 Sekunden der Messung aufzutreten, wenn etwa 50% der Speicherkapazität der LNT verbraucht worden war. Dies zeigt, dass eine vernünftig bemessene LNT (z. B. größer als 1 Liter) genug Speicherkapazität haben kann, um während eines Kaltstarts NOx-Emissionen aus einem Motorabgas zu beseitigen. Es ist jedoch bevorzugt, dass die LNT mehr als 50% der ursprünglichen Speicherkapazität behält, um einen wesentlichen NOx-Durchbruch zu vermeiden.
Beispiel 2
In 4 ist die NOx-Konzentration am Ausgang während einer Speicherkapazitätsmessung 150°C und einem anschließenden Temperaturanstieg auf 600°C in einer kraftstoffarmen Zufuhr zu sehen. Die Zusammensetzung der kraftstoffarmen Abgaszufuhr ist in Tabelle 1 oben angegeben. Nachdem die eng gekoppelte LNT mit NOx bei 150°C gesättigt war, wurde die Temperatur allmählich auf 600°C erhöht. Während des Erwärmens trat eine zusätzliche NOx-Speicherung mit einer kleinen Absorptionsspitze bei ungefähr 250°C gefolgt von einer viel größeren Absorptionsspitze bei ungefähr 330°C auf. Obwohl es nicht erwünscht ist, an die Theorie gebunden zu sein, kann die kleine Absorptionsspitze bei 250°C aufgrund einer geringen Speicherkomponente in dem Katalysator vorliegen, und die größere Absorptionsspitze bei 330°C kann aufgrund der Bildung von Bariumnitrat vorliegen. Bei 350°C begann die LNT, das gespeicherte NOx freizugeben. Wie es in 4 gezeigt ist, trat die Spitzenfreigabe von NOx bei ungefähr 420°C auf. Bei ungefähr 600°C kehrte die NOx-Konzentration am Ausgang auf das Niveau der NOx-Konzentration am Einlass zurück, was anzeigt, dass die LNT bei 600°C nicht länger NOx speichert oder freigibt. Die gleiche Einlass/Auslass-Konzentration von NOx bei 600°C zeigt an, dass die NOx-Speicherkapazität der LNT in kraftstoffarmen Abgaszufuhren thermisch regeneriert werden kann.
Um zu überprüfen, dass die LNT ihre Speicherkapazität nach einer Hochtemperaturregenerierung wiederherstellt, wurde die LNT in einer kraftstoffarmen Abgaszufuhr, die ungefähr 250 ppm NO enthielt, im Anschluss an eine Regenerierung bei 600°C auf 150°C abgekühlt (siehe 4). Es wurde festgestellt, dass, obwohl die LNT vollständig regeneriert war, ihre Speicherkapazität während des Abkühlprozesses in dem Temperaturbereich von 350 bis 500°C vollständig verbraucht wurde. Deshalb verblieb bei 150°C sehr wenig, wenn überhaupt, Speicherkapazität. Um die NOx-Speicherkapazität der LNT aufrechtzuerhalten, werden die LNT vorzugsweise in einem NOx-freien Gasstrom nach einer thermischen Hochtemperaturregenerierung in einem kraftstoffarmen Gasstrom abgekühlt.
Die Erfindung dieser Anmeldung ist oben sowohl gattungsgemäß als auch mit Hinblick auf spezifische Ausführungsformen beschrieben worden. Obwohl die Erfindung durch das dargelegt worden ist, was als die bevorzugten Ausführungsformen erachtet wird, kann eine breite Vielfalt von Fachleuten bekannten Alternativen innerhalb der gattungsgemäßen Offenbarung gewählt werden. Die Erfindung ist außer durch den Wortlaut der beigefügten Ansprüche nicht weiter eingeschränkt.

Claims

Vorrichtung für die selektive Beseitigung von NOx aus einem Gasstrom, umfassend: eine erste Mager-NOx-Falle, eine zweite Mager-NOx-Falle, die mit der ersten NOx-Falle über eine Hohlleitung in Wirkverbindung steht, und eine Heizung, die mit der ersten Mager-NOx-Falle verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner ein Luftströmungselement umfasst, das mit der Heizung in Wirkverbindung steht, um erwärmte Luft zu der ersten Mager-NOx-Falle zu blasen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Mager-NOx-Falle NOx absorbiert, wenn die erste Mager-NOx-Falle eine Temperatur von 50 bis 150°C aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Mager-NOx-Falle NOx speichert, wenn die erste Mager-NOx-Falle eine Temperatur unter ungefähr 250°C aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die erste Mager-NOx-Falle NOx freigibt, wenn die erste Mager-NOx-Falle eine maximale Speicherkapazität erreicht hat.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die zweite Mager-NOx-Falle NOx, das von der ersten Mager-NOx-Falle freigegeben wird, speichert, wenn die Temperatur der zweiten Mager-NOx-Falle ungefähr 350°C erreicht.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die erste Mager-NOx-Falle eine geringere Größe als die zweite Mager-NOx-Falle aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Mager-NOx-Falle unter einer Motorhaube eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist, und die zweite Mager-NOx-Falle unter einem Boden des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
Vorrichtung für die selektive Beseitigung von NOx aus einem Gasstrom, umfassend: eine erste Mager-NOx-Falle, die unter einer Motorhaube eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist, eine zweite Mager-NOx-Falle, die unter einem Boden des Kraftfahrzeugs angeordnet ist und mit der ersten Mager-NOx-Falle durch eine Hohlleitung in Wirkverbindung steht, eine Heizung, die mit der ersten Mager-NOx-Falle verbunden ist, und ein Luftströmungselement, das mit der Heizung in Wirkverbindung steht, um Luft zu der ersten Mager-NOx-Falle zu blasen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die erste Mager-NOx-Falle NOx speichert, wenn die erste Mager-NOx-Falle eine Temperatur unter ungefähr 250°C aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die erste Mager-NOx-Falle NOx freigibt, wenn die erste Mager-NOx-Falle eine maximale Speicherkapazität erreicht hat.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die zweite Mager-NOx-Falle NOx, das von der ersten Mager-NOx-Falle freigegeben wird, speichert, wenn die Temperatur der ersten Mager-NOx-Falle ungefähr 350°C erreicht.
Verfahren für die selektive Beseitigung von NOx aus einem Gasstrom, umfassend: der Gasstrom durch eine erste Mager-NOx-Falle hindurchgeleitet wird, wobei die erste Mager-NOx-Falle das NOx speichert, wenn der Gasstrom eine Temperatur unter ungefähr 250°C aufweist, und der Gasstrom durch eine zweite Mager-NOx-Falle hindurchgeleitet wird, wobei die zweite Mager-NOx-Falle NOx, das von der ersten Mager-NOx-Falle freigegeben wird, speichert.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner umfasst, dass erwärmte Luft zu der ersten Mager-NOx-Falle geblasen wird.
Verfahren nach Anspruch 13, das ferner umfasst, dass die eng gekoppelte Mager-NOx-Falle auf eine Temperatur erwärmt wird, die ausreicht, um gespeichertes NOx von der eng gekoppelten Mager-NOx-Falle freizugeben.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Temperatur ungefähr 600°C beträgt.
Verfahren nach Anspruch 15, das ferner umfasst, dass die eng gekoppelte Mager-NOx-Falle in einer Umgebung abgekühlt wird, die kein NOx enthält.
Verfahren zum Regenerieren einer eng gekoppelten Mager-NOx-Falle, das umfasst, dass: die eng gekoppelte Mager-NOx-Falle auf eine Temperatur erwärmt wird, die ausreicht, um gespeichertes NOx von der eng gekoppelten Mager-NOx-Falle freizugeben, und die eng gekoppelte Mager-NOx-Falle in einer Umgebung abgekühlt wird, die kein NOx enthält.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Temperatur, die ausreicht, um gespeichertes NOx von der eng gekoppelten Mager-NOx-Falle freizugeben, ungefähr 600°C beträgt.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die eng gekoppelte Mager-NOx-Falle für einen Zeitraum von ungefähr 30 Sekunden erwärmt wird.
Verfahren zum selektiven Beseitigen von NOx aus dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors während eines ”Kaltstarts” des Motors, das umfasst, dass: die Abgasströme nacheinander durch eine erste Mager-NOx-Falle (LNT) und eine zweite Mager-NOx-Falle (LNT) hindurchgeleitet werden, wobei die Mager-NOx-Fallen einen Katalysator umfassen, der die Reduktion eines NOx zu N₂ katalysieren kann, und eine Verbindung, die NOx als Nitrate speichern kann.
Verfahren nach Anspruch 21, das umfasst, dass NOx in der ersten LNT bei einer Temperatur unter einer katalytischen Temperatur, bei der der Katalysator in der ersten LNT die Reduktion von NOx zu N₂ katalysiert, als Nitrate gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 22, das umfasst, dass das gespeicherte NOx in der ersten LNT unter stöchiometrischen oder kraftstoffreichen Motorbetriebsbedingungen zu N₂ reduziert wird, wenn die Temperatur der ersten LNT die katalytische Temperatur erreicht.
Verfahren nach Anspruch 22, das umfasst, dass NOx in der zweiten LNT unter kraftstoffarmen Bedingungen als Nitrate gespeichert wird, wenn die erste LNT eine Temperatur erreicht, bei der sie das gespeicherte NOx freigibt.
Verfahren zum Reduzieren der Gesamt-NOx, die während des Betriebes von einem Kaltstart bis zu einem Ausschalten eines einen Verbrennungsmotor enthaltenden Fahrzeugs in die Umwelt freigegeben werden, das umfasst, dass: ein Abgasstrom, der NOx umfasst, von dem Motor nacheinander durch eine erste LNT und eine zweite LNT hindurchgeleitet wird, wobei die LNTs einen Katalysator, der die Reduktion von NOx zu N₂ katalysieren kann, und Verbindungen umfassen, die NOx als Nitrate speichern können, und die erste LNT regeneriert wird, um gespeichertes NOx freizugeben.
Verfahren nach Anspruch 25, das ferner umfasst, dass der Verbrennungsmotor mit abwechselnden Zyklen von kraftstoffreich und kraftstoffarm betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei das Regenerieren der ersten LNT umfasst, dass die Verbindungen über eine Temperatur erwärmt werden, bei der sie NOx freigeben.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei der Erwärmungsschritt in Anwesenheit eines kraftstoffreichen Abgases ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei der Erwärmungsschritt in Anwesenheit eines kraftstoffarmen Abgases ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei der Erwärmungsschritt ausgeführt wird, nachdem der Motor ausgeschaltet worden ist.