Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drei- Wege-Katalysatoreinheit für Verbrennungsmotoren, die einen ersten Grundkörper aufweist, durch den rußpartikelfreies Abgas hindurchgeleitet wird, und mit einer in dem ersten Grundkörper vorgesehenen Bearbeitungseinrichtung, in der im Abgas enthaltene Stickoxide zu Stickstoff reduziert und un- oder teilverbrannte Bestandteile eines Brennstoffs regeneriert werden.

Solche Drei-Wege-Katalysatoreinheiten sind für Benzinmotoren allgemein bekannt. Für Dieselmotoren sind solche Drei-Wege-Katalysatoreinheiten aber nicht verwendbar, da diese Motoren nicht rußpartikelfrei verbrennen. Bei einem Benzinmotor wird das Benzin vollständig verdampft und nicht, wie bei einem Dieselmotor, als Tropfen verbrannt.

Die vorhandenen Drei- Wege-Katalysatoren sind also für Dieselmotoren nicht verwendbar. Dieselmotoren haben einen hohen Deckungsgrad und sind weit verbreitet, so dass zur Reduzierung des CO ₂ -Ausstoßes bei Motoren auch diese nicht unberücksichtigt bleiben dürfen. Dieselmotoren arbeiten mit einem Verbrennungsverfahren unter hohem Verdichtungsdruck. Im Unterschied zu Benzinmotoren liegt der zu verbrennende Treibstoff nicht in einem gas- und/oder dampfförmigen Zustand, sondern in feinen Tropfen vor. Ein Abgasreinigungssystem für Dieselmotoren verfügt daher nicht über ein bei Benzinmotoren übliches Lambda-1 -System und eine rein heterogene Katalyse der beiden Stufen

Redoxkatalyse der Reduzierung von Stickoxiden mit den unverbrannten Gasbestandteilen der Verbrennung, und

- anschließende Verbrennungsluftzufuhr und Oxidation der unverbrannten Bestandteile am Platinkatalysator. Der Dieselmotor verbrennt mit einem höheren Lambda, das heißt mit einem Luft- überschuss, und verdampft den Treibstoff nicht, sondern versprüht diesen mit hohem Druck zu kleinen Tropfen. Der Luftüberschuss beträgt aber mindestens 30%. Der Verbrennungsvorgang umfasst eine zunehmend schnellere Verbrennung dieser kleinen Tropfen zu winzigen Koksteilchen. Diese winzigen Koksteilchen leuchten dann viel stärker als die verbrennenden Tropfen. Der Grad der leuchtenden Koksteilchen bei einem Verbrennungsvorgang in Dieselmotoren wird auch als das„Eigenleuchten" bezeichnet. Die Koksteilchen verbrennen aber nur so lange in dem Verbrennungsgemisch, bis die Temperatur für die Verbrennung zu niedrig gewor- den ist. Aus diesem Grunde verbrennen nicht alle Koksteilchen, so dass diese für die viel diskutierten Partikelemissionen der Dieselmotoren verantwortlich sind. Diese unverbrannten Anteile des Verbrennungsgemisches der Dieselmotoren sind aber auch die Ursache dafür, dass das Abgas nicht vollständig in ein Gas umgewandelt wird. Aufgrund der unvollständigen Umwandlung in Gas sind die bekannten Hete- rogenkatalysatoren auch nicht in der Lage, diese unverbrannten Anteile nachzuoxi- dieren. Aus diesem Grunde wurden für Dieselmotoren Rußfilter entwickelt und in diese eingebaut.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, einen Drei-Wege-Katalysator der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass dieser auch für Dieselmotoren verwendet werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein zweiter Grundkörper vorgesehen ist, der zur Vermeidung von Partikeln im Abgas stromaufwärts des ers- ten Grundkörpers in einer Treibstoffleitung des Verbrennungsmotors angeordnet ist.

Mithilfe der vorliegenden Erfindung werden zwei Hinderungsgründe für den Einsatz eines für Benzinmotoren üblichen Heterogenkatalysators (Drei-Wege- Katalysator) beseitigt. Diese beiden Gründe liegen zum einen in dem Luftüber- schuss, der die unverbrauchten Gasanteile mit den Stickoxiden reagieren lässt, wie bei dem Benzinmotor, und zum anderen in den Partikeln, die einer Reaktion an einer Wabe unzugänglich sind.

Durch eine Zweiteilung einer Drei- Wege-Katalysatoreinheit in zwei Grundkörper mit jeweils unterschiedlicher Funktion ist es möglich, einen Dieselkraftstoff in einer ersten Stufe derart zu bearbeiten, dass dieser keine unverbrannten Koksteilchen (Partikel) enthält und anschließend in an sich bekannter Weise katalytisch zu bearbeiten. Der erfindungsgernäße Lösungsansatz überwindet die bisher vorliegende Einschätzung in der Fachwelt, dass eine Verminderung der Stickoxide bei einem Dieselmotor durch Katalysatoren unmöglich ist. Bisher wurden Leistungs- und Verbrennungsveränderungen im Zusammenwirken mit dem Rußfilter als Lösung angesehen. Auch ein SCR- Verfahren (SCR = selektive katalytische Reduktion), bei dem Harn- stoff zu dem Verbrennungsgemisch zugesetzt wird, ist im Gegensatz zu Einrichtungen mit konstanten Verbrennungsbedingungen, wie zum Beispiel Kraftwerken, bei Dieselmotoren und deren unterschiedlichen Verbrennungsverhältnissen nur bedingt einsetzbar. Außerhalb der optimalen Verbrennungsbedingungen bilden sich Nebenprodukte, die nachteilig für den dauerhaften Betrieb dieser Technik sind.

Es hat sich nun überraschend gezeigt, dass eine Kombination zweier katalytischer Verbrennungssysteme für den Dieselmotor den Einsatz eines Drei- Wege- Katalysators möglich macht. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass der zweite Grundkörper eine Verbrennungsbeschleunigereinheit ist, die durch chemische Bildung von Metallorganika in dem Treibstoff die Verbrennung so beschleunigt, dass in der Verbrennung die Bildung von Rußpartikeln vermieden wird. Die Ausbildung des zweiten Grundkörpers als Verbrennungsbeschleunigereinheit basiert auf der Erkenntnis, dass die Aktivierungsenergie der Sauerstoffspaltung von O ₂ zu 20, also die Voraussetzung für die Oxidationsreaktion, deutlich höher liegt als die Aktivierungsenergie der Reduktion des N ₂ O, NO und NO ₂ zu N ₂ .

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass der zweite Grundkörper eine Reaktionswabe ist, die eine Spinellstruktur von wenigstens einem Metall und Seltene Erden aufweist und die Reduktion selektiv durchführt.

Dieser speziellen Ausbildung des zweiten Grundkörpers liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Aktivierungsenergie der Sauerstoffspaltung von O ₂ zu 20 unter Abgabe des Sauerstoffs an Spinelle oder Spinellstrukturen deutlich höher liegt als die Energie der Reduktion des N ₂ O, NO und NO ₂ zu N ₂ .

Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den weiteren Merkmalen der Unteransprüche.

Eine Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Grundkörpers einer Drei-Wege- Katalysatoreinheit gemäß mit einer ersten und zweiten Bearbeitungseinrichtung gemäß vorliegender Erfindung; und

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines dem ersten Grundkörper aus Fig. 1 vorgeschalteten zweiten Grundkörpers mit einem Verbrennungsbeschleuniger.

Das System des erfindungsgemäßen Drei- Wege-Katalysators für Dieselmotoren und/oder Benzinmotoren besteht im Wesentlichen darin, dass an unterschiedlichen Stellen und getrennt voneinander eine Verbrennungsbeschleunigereinheit zur Überfuhrung des verbrannten Abgases in reines Gas ohne Kokspartikel, eine Reaktions- wabe zur selektiven Reduktion der Stickoxide im Abgas durch eine Spinellwabe und zur Aktivierung dieser Wabe mit den Resten an CO in dem Abgas sowie, in einer bevorzugten Ausfuhrungsform, eine Nachverbrennungswabe mit Zudosierung von Luft aus dem Turbolader, bestehend aus einer Wabe, wie die Reaktionswabe, jedoch mit weiteren Oxidationszusätzen, angeordnet sind. In Fig. 1 und Fig. 2 sind schematisch eine Drei- Wege-Katalysatoreinheit 1 für Verbrennungsmotoren und insbesondere Dieselmotoren dargestellt. Diese Drei- Wege- Katalysatoreinheit 1 ist so konzipiert, dass diese zwar für Dieselmotoren bestimmt ist, aber auch für Benzinmotoren verwendet werden kann. Die in Fig. 1 dargestellte Drei- Wege-Katalysatoreinheit 1 umfasst einen Katalysator 1.1 und einen Verbren- nungsbeschleuniger 5.1, wobei der Katalysator 1.1 in einem ersten Grundkörper 3 ausgebildet ist und der Verbrennungsbeschleuniger 5.1 in einem zweiten Grundkörper 5 ausgebildet ist. Der erste Grundkörper 3 umfasst wiederum eine erste Bearbeitungseinrichtung 3.1. Diese erste Bearbeitungseinrichtung 3.1 kann in an sich bekannter und typischer Weise rußpartikelfreie Abgase bearbeiten, um darin enthalte- ne Stickoxide zu Stickstoff zu reduzieren und un- oder teilverbrannte Bestandteile eines Brennstoffs zu regenerieren. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Grundkörper 3 eine Katalysatorwabe aus mit 5% Uberschuss an Cer und Lanthan, die bei der Kalzinierung ein Mischkristall mit relativ kleiner Oberfläche bildet. Nach Auflösung dieses aus im Wesentlichen aus Acetaten oder Nitraten gebildeten Mischkristalls reagieren diese Stoffe zu einem Spinell. Dieser Spinell wird anschließend in Oxalsäure aufgelöst und wieder kalziniert. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis die Oberfläche des Spinells so groß ist, dass diese die Funktion des ersten Grundkörpers 3 erfüllen kann. In der Regel wird das der Fall sein, wenn ein Kristallfadendurchmesser des Spinells weniger als 0,000001 m beträgt. Der Spinell bzw. die Spinellstruktur wird dann auf einer Metallwabe oder einer mit Metall beschichteten Keramikwabe aufgebracht, um mit dieser zusammen die Reaktionswabe zu bilden. Auf diese Weise entsteht ein wärmeleitender Kontakt zu dem Katalysator an sich. Der so hergestellte erste Grundkörper 3 umfasst dann den eigentlichen Redoxkatalysator mit einer selektiven Aufnahme des Sauerstoffs der Stickoxide und der selektiven Reduktion durch das CO des Abgases. Stromaufwärts des ersten Grundkörpers 3 ist der zweite Gnindkörper 5 mit dem Verbrennungsbeschleuniger 5.1 ausgebildet (Fig. 2). Der Verbrennungsbeschleuniger 5.1 umfasst wenigstens ein Reaktorelement 5.2, das in einer Treibstoffleitung 7 bzw. einem Treibstofffilter, zum Beispiel in einem Dieselkraftstofffilter, angeordnet ist. Das wenigstens eine Reaktorelement 5.2 hat ein Gewicht von jeweils etwa 0,2 kg und besteht im Wesentlichen aus einem Metallgeflecht. Dieses Metallgeflecht wird durch einen langen und einstückig hergestellten Drehspan aus einem einzigen Metallkörper hergestellt. Vorzugsweise beträgt die Länge eines solchen, ohne Bruchstelle hergestellten Drehspans 29 m. Die vorgenannten Maße für Gewicht und Länge sind nur als Beispiel zu verstehen. In anderen Ausführungsformen können auch andere Gewichte und Längen für das Metallgeflecht vorgesehen sein. Der Metallkörper, aus dem der Drehspan hergestellt wird, hat eine Zusammensetzimg von 70% Zinn, 34% Kupfer, 5% Silber, 0,9% LanthanCerKobaltit und 0,1% Gold. Der von einem solchen Metallkörper abgehobene Drehspan wird dann gefaltet und ver- dreht, bis ein kompakter Reaktorkörper entsteht, der etwa 1 15 mm lang ist. Die Breite des abgehobenen Drehspans beträgt etwa 7 mm, wobei bei der Faltung und Verdrehung darauf geachtet wird, dass sich die„Metallbänder" (d.h. die verschiedenen Abschnitte ein und desselben Metallbandes) nur punktmäßig berühren. Ein solcher Verbrennungsbeschleuniger gewährleistet den optimalen Durchfluss von Treibstoff und löst sich in seiner Struktur auch nach 300.000 bis 400.000 km nicht auf. Die Gewichtsabnahme durch Bildung von Metallorganika wurde für je 100.000 km zwischen 10 und 15% gemessen.

Fig. 1 zeigt auch, dass stromabwärts der ersten Bearbeitungseinrichtung 3.1 eine zweite Bearbeitungseinrichtung 3.2 als Nachverbrennungswabe vorgesehen ist, die eine Zudosierung von Luft aus einem Turbolader aufweist. Zwischen der ersten Bearbeitungseinrichtung 3.1 und der zweiten Bearbeitungseinrichtung 3.2 ist eine Luft-Einblaseinrichtung 9 zum Einblasen von Luft (oder einem Luftgemisch) aus dem Turbolader angeordnet. Die Nachverbrennungswabe der zweiten Bearbei- tungseinrichtung 3.2 ist im Wesentlichen genauso aufgebaut und wird im Wesentli- chen genauso hergestellt wie die Reduktionswabe der ersten Bearbeitungseinrichtung 3.2.

Um einen Bezug zur Praxis herzustellen, wird die Drei- Wege-Katalysatoreinheit gemäß vorliegender Erfindung im Folgenden für einen 1,2 1 Dieselmotor näher beschrieben:

Ein Dieselfilter eines Dieselmotors mit 1 ,2 1 Hubraum hat einen Filterinnendurchmesser von etwa 40 mm. In den Dieselfilter wird die Verbrennungsbeschleuni- gereinheit 1.1 (zweiter Grundkörper 5) gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt, das heißt, das Metallgeflecht des Reaktorelements 5.2 hat eine Metallbandlänge von 29 m, eine Bandbreite von 7 mm und ein Metallbandgewicht von 200 g. Das Metallband besteht im Wesentlichen aus Zinn, Kupfer, Silber, Spinell und Gold. Durch das Einsetzen der Verbrennungsbeschleunigereinheit des zweiten Grundkörpers 5 in den Dieselfilter wird dieser zu einem Reaktor für die Verbrennungsbeschleunigung und vollständigen Verhinderung des Auftretens von Rußpartikeln im Abgas umgestaltet. Die Lebensdauer des so umgebauten Dieselfilters wird mit etwa 100.000 km angesetzt. Das so gebildete Reaktorelement hat in dieser Zeit etwa 30 g an Substanz verloren. Der Grund dafür liegt in der Bildung von Metallorganika aus der Reaktion mit den Olefinen in der folgenden Additionsreaktion:

Olefin + Zinn/Silber = Metall-Alkan, mit seitlich angelagertem Silber und Zinn Dieser Brennstoff verbrennt vollständig und schneller, wobei durch die schnellere, vollständigere und auch gleichmäßigere Verbrennung der Einspritzzeitpunkt auf später verstellt werden kann und dadurch auch Stickoxide vermindert werden. Das Anspringverhalten des Dieselmotors wird besser und ein Nageln des Dieselmotors verschwindet über die gesamte Lebensdauer des Motors. Dem Auspuff des Dieselmotors wird nun ein Drei-Wege- Katalysator vorgeschaltet, in dem als erste Wabe eine Edelstahlstruktur, beschichtet mit dem Spinell, entsprechend der Zusammensetzung der Reduktionswabe (erste Bearbeitiingseinrichtung 3.1), angeordnet ist. Die Temperaturfestigkeit dieser Beschichtung ist bis 1 150°C gemessen worden. Durch die spätere Einspritzung des Motors ist die Beschichtung in der Lage, sich in der selektiven Sauerstoffadsorption immer wieder zu regenerieren. Die Wabe hat beispielsweise einen Durchmesser von 8 mm und eine Länge von 120 mm. Nach diesem selektiven Reduktionskatalysator ist die tangentiale Luft- Einblaseinrichtung 9 so angeordnet, dass sich der Wirbel nicht an der Wand, sondern in der Mitte bildet. Die Luftmenge beträgt nur 1 bis 2% der Abgasmenge. Dementsprechend beträgt die Temperaturabsenkung nur 5%. Der erste Grundkörper 3 ist mit einer Isolationsschicht versehen, um die Reaktionsaktivität zu erhalten.

Der Luft-Einblaseinrichtung 9 ist die zweite Bearbeitungseinrichtung 3.2 als Nachverbrennungswabe angeordnet. Diese ist ebenso wie die Reduktionswabe der ersten Bearbeitungseinrichtung 3. lausgebildet. Aus den bereits vorliegenden Tests der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich auch Vorteile für den Benzinmotor, wenn ein zweiter Grundkörper 5 und eine zweite Bearbeitungseinrichtung 3.2 im ersten Grundkörper 3 eingesetzt werden.

Ein weiteres Beispiel für die praktische Umsetzung ist der Einbau des erfindungs- gemäßen Drei- Wege-Katalysators in einen 1,7 1 Dieselmotor. In einem Dieselfilter mit einem Innendurchmesser von 40 mm und einer Länge von 120 mm des Filterelements wird ein zweiter Grundkörper 5 von 40 mm Durchmesser und 150 mm Länge eingesetzt und durch eine Feder, die in dem Dieselfilter verankert, stoßsicher gelagert. In einem Auspuff mit einem Durchmesser von 120 mm wird als erster Grundkörper 3 bzw. erste Bearbeitungseinrichtung 3.1 eine spinellbeschichtete Strukturwabe von 150 mm eingebracht, die umwickelt ist mit einer rüttelsicheren Edelstahlgitterstruktur. Der Einspritzzeitpunkt wird um 3° auf später eingestellt.

Der Abstand zwischen der Reaktionswabe (erste Bearbeitungseinrichtung 3.1) und der Nachverbrennungswabe (zweite Bearbeitungseinrichtung 3.2) beträgt 120 mm. Eine Sekundärluftzufuhr erfolgt in der Mitte zwischen den beiden Waben über die Luft- Einblaseinrichtung 9 und ragt 30 mm in den Innenraum. Der gesamte erste Grundkörper 3 ist mit einer Aluminiumoxidisolation von 10 mm Dicke umwickelt und mit einer Abdeckung gesichert.

Die Nachverbrennungswabe hat einen Durchmesser von 150 mm und ist mit einer Edelstahlgitterstruktur gehaltert. Der gesamte erste Grundkörper 3 ist auch hier durch eine Aluminiumoxidfaser von 10 mm Dicke wärmeisoliert. Die Nachverbrennungswabe hat als Dotierungselemente den Spinell und Zusätze an Edelmetallen und Metalloxiden.

Bezugszeichenliste

1 Katalysatoreinheit

1.1 Katalysator

3 erster Grundkörper mit Reaktionswabe

3.1 erste Bearbeitungseinrichtung/Reaktionswabe

3.2 zweite Bearbeitxmgseinrichtung/Nachverbrennungswabe

5 zweiter Grundkörper mit Verbrennungsbeschleuniger

5.1 Verbrennungsbeschleuniger

5.2 Reaktorelement

7 Treibstoffleitung/Treibstofffilter

9 Luft-Einblaseinrichtung