Für Ottomotor-getriebene Pkw's ist der 3-Wege-Katalysator zur Reduktion der Stickoxide unter gleichzeitiger Oxidation des CO und der Kohlenwasserstoffe Stand der Technik. Bei den derzeit in Entwicklung befindlichen, im Teillastbetrieb mager betriebenen DI-Ottomotoren und bei Dieselmotoren reduziert der 3-Wege-Katalysator wegen des hohen Sauerstoffgehaltes im Abgas die Stickoxide allerdings nicht.

Ein aussichtsreiches Verfahren für die Stickoxidreduktion in Dieselfahrzeugen ist die selektive katalytische Reduktion (SCR) mit Harnstoff oder anderen Homologen des Ammoniak als Reduktionsmittel. Um die Verwendung zusätzlicher Betriebs- stoffe im Kraftfahrzeug zu vermeiden, wurde die plasma- gestützte katalytische Reduktion mit Kohlenwasserstoffen als Reduktionsmittel vorgeschlagen (sh. WO 98/09699 A1 und US 5 711 147 A sowie EP 0 659 465 A2).

Bei niedrigen Abgastemperaturen, wie sie in der Startphase und im Stadtverkehr auftreten, arbeiten jedoch praktisch alle katalytische Verfahren zur Stickoxidreduktion nicht mehr.

Hier soll die plasmagestützte katalytische Reduktion Abhilfe schaffen. Mit Kohlenwasserstoffen als Reduktionsmittel ist jedoch bisher kein Potential zur NOx-Reduktion bei niedrigen Temperaturen erkennbar. Außerdem müssen die Kohlenwasser- stoffe erfahrungsgemäß in hohen Konzentrationen zudosiert

werden, die beim fünf-bis achtfachen des Stickoxidgehaltes im Abgas liegen (sh. WO 98/09699 A1 und 1998 SAE Fall Fuels & Lubricants Meeting, San Francisco-J. Hoard, M. L. Balmer : SAE paper no. 982429 ; R, Slone et al. : SAE paper no. 982431 ; B. M. Penetrante et al. : SAE paper no. 982508). Da diese Kohlenwasserstoffkonzentrationen weit über denen im Abgas moderner Verbrennungsmotoren liegen, wird schon allein da- durch der Kraftstoffverbrauch deutlich erhöht.

Hier liegt ein Vorteil des Harnstoff-SCR-Verfahrens : Harnstoff wird so dosiert, daß die durch Hydrolyse gebildete Ammoniakkonzentration unter der NOx-Konzentration liegt.

Außerdem arbeitet dieses Verfahren schon ohne Kombination mit Plasmen bereits ab 200°C, und in der DE 198 20 682 A1 wurde die plasmagestützte selektive katalytische Reduktion mit Ammoniak oder Homologen des Ammoniak vorgeschlagen, die nachgewiesenermaßen bis hinunter zu Temperaturen von 60°C noch Stickoxide reduziert (1998 SAE Fall Fuels & Lubricants Meeting, San Francisco-Th. Hammer, St. Bröer : SAE paper no.

982428). Wesentliches Merkmal dieses Verfahrens ist, daß ein Teil des NO plasmainduziert zu N02 umgewandelt wird und die Reduktion auch von NO bei niedrigen Temperaturen ermöglicht.

Ein Nachteil letzteren Verfahrens liegt darin, daß für hohe Konversionsgrade der gesamte Abgasvolumenstrom im Plasmareak- tor behandelt werden muß, wodurch wegen des Strömungswider- stands der Kompaktheit der im Kfz-Bereich einsetzbaren Reak- toren Grenzen gesetzt sind, und daß dort nicht nur NO zu N02 sondern unvermeidlich Kohlenwasserstoffe partiell oxidiert werden, wobei das Endprodukt dieser partiellen Oxidation CO ist.

Radikalinjektionsverfahren haben keine Probleme mit dem Strömungswiderstand. Hier besteht eine der Möglichkeiten in der Verwendung von Stickstoff als Reduktionsmittel, der in einer Gasentladung zu chemisch sehr aktiven Radikalen dis- soziiert wird (WO 98/11982 A1). Das setzt jedoch die ener-

gieaufwendige Bildung reinen Stickstoffs an Bord eines Kfz z. B. durch Membranverfahren voraus. Bei der Verwendung von Ammoniak (JP 3275119 A1) ist bei niedrigen Temperaturen die Bildung von Ammoniumnitrat unvermeidlich, das als Aerosol anfällt und deshalb unerwünscht ist. In beiden Fällen muß im Unterschied zur plasmagestützten selektiven katalytischen Reduktion, bei der Plasmabetrieb nur bei niedrigen Tempera- turen erforderlich ist, ständig elektrische Energie für die Plasmaerzeugung bereitgestellt werden. Vorteilhafter ist die Kombination der Radikalinjektion mit katalytischen Reduk- tionsverfahren (WO 98/11982 A1 und DE 195 10 804 A1), bei der die Radiale die katalytischen Reaktionen bei niedrigen Temperaturen fördern sollen. Möglich ist, wie in DE 195 10 804 A1 vorgeschlagen, dafür das Reduktionsmittel durch das Plasma behandeln zu lassen.

In der WO 98/11982 A1 wird nur die prinzipielle Möglichkeit der Aktivierung von Katalysatoren durch Injektion von Radi- kalen erwähnt, ohne daß Erläuterungen und/oder spezifische Beispiele gegeben werden. Als Problem ist in jedem Fall zu sehen, daß die Radiale mit den Schadstoffen im Abgas bereits vor Erreichen des Katalysators Reaktionen eingehen und dabei (a) unerwünschte Nebenprodukte erzeugen, (b) die Effizienz des Verfahrens dadurch senken, daß Reduktionsmittel für unerwünschte Prozesse verbraucht wird. Die Lebensdauer von Radikalen in Abgasen liegt erfahrungsgemäß im sub-Milli- sekunden-Bereich, im Extremfall bei einigen Millisekunden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, das Verfahren der ein- gangs genannten Art zu verbessern und eine zugehörige Vor- richtung zu schaffen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemaß bezuglich des Verfahrens durch die Vorgehensweise entsprechend Verfahrensanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Verfahrens- ansprüchen angegeben. Bezüglich der Vorrichtung ist die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Vorrichtungs-

anspruches 20 gelöst, wobei Weiterbildungen in den abhängigen Verfahrensansprüchen angegeben sind.

Im Rahmen der Erfindung wird eine"niedrige Temperatur"da- durch definiert, daß bei dieser Temperatur die katalytische Reduktion der Stickoxide ohne zusätzliche Maßnahmen zum Erliegen kommt. Gleichermaßen wird eine"niedrige Bildungs- wärme"dadurch definiert, daß bei einer chemischen Verbindung deren Moleküle bei Zimmertemperatur und Normaldruck in Luft eine Lebensdauer von mindestens einer Minute haben. Mit steigender Bildungswärme sinkt die Stabilität der Moleküle und damit auch deren Lebensdauer z. B. in Luft.

Oberraschenderweise wird bei der Erfindung speziell das Ver- fahren zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden in sauerstoffhaltigen Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen dadurch verbessert, daß bei den vorstehend erfindungsgemäß definierten niedrigen Temperaturen zur Förderung der kataly- tischen Reduktion neben dem Reduktionsmittel auch ein Oxi- dationsmittel mit vorstehend erfindungsgemäß definierter niedriger Bildungswärme zugegeben wird. Mit"Oxidations- mittel"sind dabei alle chemischen Moleküle angesprochen, die leichter atomaren Sauerstoff oder andere oxidierende Radikale abspalten als molekularer Sauerstoff, dem in Standard-Tabel- lenwerken die Bildungswärme 0 kJ/Mol zugeschrieben wird. Das bedeutet, daß die erfindungsgemäßen Oxidationsmittel eine höhere Bildungswärme als molekularer Sauerstoff haben.

Vorzugsweise wird bei der Erfindung ein Oxidationsmittel verwendet, bei dem die Bildungswärme bei Zimmertemperatur unter 150 kJ/mol liegt, um Reaktionen des Oxidationsmittels mit Komponenten des Abgases, speziell den Kohlenwasserstoffen zu vermeiden. Ein solches Oxidationsmittel kann vorzugsweise Ozon sein. Weiterhin können Peroxide oder andere Sauerstoff abspaltende Verbindungen verwendet werden. Beispielsweise kann auch H2O2 verwendet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren bringt Vorteile bei allen katalytischen Methoden, bei denen die Adsorption des Reduk- tionsmittels an aktiven Plätzen des Katalysators ein bei niedrigen Temperaturen limitierender Prozeßschritt ist. Ins- besondere ist es vorteilhaft, bei V7Os-WO3/TiO2-Katalysatoren und Ammoniak, Harnstoff oder anderen Ammoniak abspaltenden Verbindungen als Reduktionsmittel mit diesem Verfahren zu arbeiten, da die Adsorption von NH3 die Aktivierung des Katalysators durch Sauerstoff voraussetzt. Strömungstechnisch vorteilhaft wird das Oxidationsmittel am gleichen Ort des Abgasstranges, möglichst gemeinsam mit dem Reduktionsmittel zugesetzt.

Wenn das Reduktionsmittel eine wäßrige Harnstofflösung und das Oxidationsmittel H202 in wäßriger Lösung ist, dann können die Lösungen vorteilhafterweise vor der Injektion in den Ab- gasstrang miteinander vermischt werden. Beständige Peroxide können dagegen vorteilhafterweise einer wäßrigen Harnstoff- lösung zugemischt werden.

Da speziell Ozon nicht langfristig gespeichert werden kann, wird es durch nichtthermische Gasentladungen aus Sauerstoff oder Luft erzeugt. Als nichtthermische Gasentladung wird bevorzugt eine dielektrisch behinderte Entladung am gasför- migen Medium, als Medium bevorzugt trockene Luft verwendet.

Hierzu gibt es bekannte Einrichtungen vom Stand der Technik, die in kompakten Reaktoren Ozonkonzentrationen von mehreren Prozent in Luft zu erzeugen gestatten (siehe z. B. Samoilo- vich, Gibalov, Kozlov : Physical Chemistry of the Barrier Discharge, DVS-Verlag Düsseldorf, 1997). Die trockene Luft wird durch Partikelfilterung und Trocknung mit einem geeig- neten Trockenmittel aus der Umgebungsluft gewonnen. Als Trockenmittel kommt z. B. Silikagel in Frage. Vorteilhaft geeignet sind Vorrichtungen mit einem Trockenfilter, der regeneriert wird, wenn die Abgastemperatur den Zusatz eines Oxidationsmittels überflüssig macht. Dazu kann über einen Wärmetauscher die Abwärme des Abgases genutzt werden.

Geeignet sind auch Vorrichtungen mit zwei Filtern, die je- weils im Wechsel benutzt und regeneriert werden.

Das Ozon kann im Rahmen der Erfindung sowohl in Kombination mit Reduktionsmitteln in wäßrigen Lösungen als auch in Kombi- nation mit gasförmigen Reduktionsmitteln eingesetzt werden.

Bei gasförmigen Reduktionsmitteln bietet sich die Vermischung des Ozon/Luft-Gemisches mit dem Reduktionsmittel vor der Ein- leitung in das Abgas an.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungs- beispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit weiteren Unteransprüchen. Es zeigen jeweils in schematischer Darstel- lung Figur 1 ein Abgassystem, das mit einer Vorrichtung zur Zuführung eines Reduktionsmittel/Oxidationsmittel- Gemisches komplettiert ist, Figur 2 eine Abwandlung von Figur 1 mit flüssigem Reduktions- mittel einerseits und Oxidationsmittel andererseits, Figur 3 eine Abwandlung von Figur 1 mit einem Oxidations- mittel/Reduktionsmittel-Gemisch und Figur 4 eine Abwandlung von Figur 1 mit einem beheizbaren Vorratsbehälter für Feststoffe.

In den Figuren haben gleiche bzw. gleichwirkende Teile glei- che Bezugszeichen. Die Figuren werden teilweise gemeinsam beschrieben.

In den Figuren sind jeweils ein Abgassystem mit 1 und ein an sich bekannter katalvtischer Konverter mit 2 bezeichnet. Im Abgassystem 1 wird das von einem Motor in einem Abgasstrang 3 ankommende Abgas A durch den katalytischen Konverter 2 ge- leitet. Die in einem Vorratsbehälter 4 mitgeführte Lösung eines Reduktionsmittels RM wird mittels einer Dosiereinrich- tung 6 für Flüssigkeiten durch eine druckfeste Leitung 5 mit

geeigneter Austrittsöffnung als Sprühnebel in den Abgasstrom injiziert und durch ein Mischelement 7 gleichmäßig über den Strömungsquerschnitt des Abgases verteilt. Damit kann bei ge- nügend hohen Temperaturen im Katalysator 2 eine selektive katalytische Reduktion erfolgen.

Vom Stand der Technik ist es bekannt, daß die Fähigkeit von beispielsweise V2O5-WO3/TiO2-Katalysatoren zur selektiven <BR> <BR> <BR> katalytischen Reduktion von NO bei Temperaturen unter 200 °C rapide sinkt. In der DE 198 20 682 A1 wird über eigene Ergeb- nisse berichtet, gemäß denen NO2 die selektive katalytische Reduktion von NO fördert. In einem einfachen Reaktionsmodell lassen sich diese Erkenntnisse folgendermaßen zusammenfassen : Die Reduktion von NO für T > 200 °C 4 NO + 4 NH3 + Oz 4 N2 + 6 H20 (1), die Reduktion von NO2 auch bei T < 200 °C 6 N02 + 8 NH3 # 7 N2 + 12 H2O (2) und die bevorzugt bei T < 200 °C ablaufende Bildung von festem Ammoniumnitrat 2 NO2 + 2 NH3 # N2 + H20 + NH4NO3 (s) (3) sind literaturbekannt. Hinzu kommt für die gemeinsame <BR> <BR> <BR> Reduktion von NO und N02 in einem weiten Temperaturbereich<BR> <BR> <BR> <BR> NO + NO2 + 2 NH3 # 2 N2 + 3 H20 (4) Überraschenderweise kann nun die katalytische Reduktion durch gezielte Beeinflussung der Adsorption des Reduktionsmittels RM gefördert werden, ohne daß dafür der gesamte Abgasstrom behandelt oder das Reduktionsmittel RM aktiviert werden muß.

Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, daß (a) das Vorhandensein aktiver Zentren fur die Adsorption von Reduktionsmitteln RM auf Katalysatoren nicht unbedingt eine intrinsische Eiger- schaft des Katalysators sein muß, (b) die Schaffung aktiver Zentren für die Adsorption von Reduktionsmittelmolekülen-uf der Katalysatoraberfläche normalerweise durch Komponenten des Abgases erfolgt, (c) die Aktivierung fur die Adsorption von Reduktionsmitteln in einer Oxidation bestehen muß, die nor-

malerweise durch molekularen Sauerstoff erfolgt, und (d) dies ein entscheidender Punkt der Adsorption bei niedrigen Tempe- raturen ist.

Wesentliche Idee ist nun, daß die Oxidation durch ein Oxida- tionsmittel OM, wie beispielsweise Ozon oder ein Peroxid, bei wesentlich niedrigeren Temperaturen noch erfolgreich ablaufen kann. Die Bildungswärme des Oxidationsmittels OM spielt dabei eine wichtige Rolle : Bei zu hoher Bildungswärme steigt die Wahrscheinlichkeit einer Reaktion in der Gasphase exponen- tiell an, und es kommt zum Verbrauch des Oxidationsmittels in unerwünschten Prozessen : Bei zu niedriger Bildungswärme sinkt die Wahrscheinlichkeit für die Schaffung aktiver Zentren auf dem Katalysator, und das Oxidationsmittel OM entweicht unge- nutzt.

Als Oxidationsmittel OM wird beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 Ozon verwendet, das beispielsweise in einem Plasma- reaktor 11 zum Betrieb dielektrisch behinderter Entladungen erzeugt wird. Der Reaktor 11 wird mit einem AC-oder mit einem Pulsnetzteil 12 elektrisch mit Hochspannung versorgt, wobei die Leistung über eine elektronische Regelung dem momentanen Ozonbedarf angepaßt werden kann. Als Betriebsgas dient die Umgebungsluft 15, die über einen Lufteinlaß 13 mit Partikelfilter aufbereitet wird. Als Mittel zur Partikel- filterung und Trocknung der Luft als Ausgangsstoff für die Ozonherstellung kann in bekannter Weise Silikagel verwendet werden. Es können zwei Trockner vorhanden sein, die im Wech- sel arbeiten, wobei der jeweils nicht benötigte Trockner regeneriert wird, wofür die Abwärme des Abgases verwendet werden kann.

In Figur 1 fördert die Pumpe die trockene Luft mit gleich- mäßigem Volumenstrom zum Ozonerzeuger 11. Das Ozon-/Luft- Gemisch wird dem Abgas A im Abgasstrang 3 über eine Leitung 16 zugeführt, die parallel zu der Leitung 5 für das Reduk- tionsmittel RM verläuft und diese z. B. koaxial umfaßt. Damit

wird eine gemeinsame Injektion des flüssigen Reduktions- mittels RM und des Ozongases erreicht, wobei vor dem Kata- lysator 2 ein Mischer 7 zur Erzeugung einer gleichmäßigen Verteilung der Additive über den Strömungsauerschnitt des Katalysators 2 vorhanden ist.

In Figur 2 erfolgt die Reduktionsmittelinjektion wie in Figur l. Das Reduktionsmittel RM gelangt aus einem Tank 4 über die Leitung 5 und die Dosiereinrichtung 6 in das Abgassystem l.

Vor der Injektion in den Abgasstrang 3 mit dem Abgas A wird dem flüssigen Reduktionsmittel RM eine wäßrige Lösung eines Oxidationsmittels OM aus einem Vorratsbehälter 21 über eine Leitung 22 und eine Dosiereinrichtung 23 für Flüssigkeiten geregelt beigemischt.

Figur 3 zeigt eine Vorrichtung für die Injektion eines che- misch stabilen Gemisches aus Oxidationsmittel OM und Reduk- tionsmittel RM in wäßriger Lösung. Das Oxidationsmittel/ Reduktionsmittel-Gemisch befindet sich in einem Vorrats- behälter 31, wobei eine Zuleitung 32 mit geeigneter Aus- trittsöffnung für das Gemisch und eine Dosiereinrichtung 33 far Flüssigkeiten vorhanden ist.

In Figur 4 ist eine Vorrichtung für die Verwendung einer festen Vorläufersubstanz, wie beispielsweise Ammoniumcarbamat ([NH4CO2]-NH4+), für ein Reduktionsmittel RM vorhanden. Die Feststoffe sind in einem beheizbaren Vorrasbehälter 41 ge- lagert, aus dem durch Heizen auf uber ca. 60 °C durch thermi- sche Zerlegung (Thermolyse) beispielsweise Ammoniak als gas- förmiges Reduktionsmittel gewonnen wird, das über einen Massenflußregler 42 dosiert dem Abgas A im Abgasstrang 3 zu- gegeben werden kann. Das Reduktionsmittel RM wird vorteil- hafterweise vor der Einleitung in den Abgasstrom mit dem als Oxidationsmittel OM beispielhaft verwendeten Ozon vermischt.

In diesem Fall wird ausschließlich ein Gasgemisch in den Abgasstrang 3 injiziert.

Gleichermaßen wie das Reduktionsmittel RM in Figur 4 kann auch das Oxidationsmittel OM durch Thermolyse eines Fest- stoffes gewonnen werden.

Wesentlich ist bei allen beschriebenen Vorrichtungen, daß das Oxidationsmittel OM jeweils in genauer Dosierung zum Reduk- tionsmittel RM zugeführt wird. Durch entsprechende Auswahl des Oxidationsmittels OM mit vorgegebener niedriger Bildungs- wärme bei Raumtemperatur wird somit eine katalytische Reduk- tion auch bei solchen Temperaturen realisiert, bei der an- sonsten keine Wirkung erreicht wurde. Die gemeinsame Zugabe von Reduktionsmittel und Oxidationsmittel kann für die prak- tische Anwendung beispielsweise bei PKW's durch das Kenn- linienfeld der Verbrennungskraftmaschine gesteuert erfolgen.

Da beim erfindungsgemäßen Verfahren der apparative und der energetische Aufwand für eine Abgasreinigung auch bei praxis- relevanten Temperaturen reduziert wird und der apparative Aufwand bei der zugehörigen Vorrichtung gering ist, ergibt sich ein beachtlicher Fortschritt.