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Title:
CATALYTIC CONVERTER SYSTEM FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD FOR PRODUCING SAID SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2007/006784
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a catalytic converter system for an internal combustion engine, comprising at least one cylinder and/or piston. Said system is characterised in that the catalyst takes the form of nanoparticles on the cylinder and/or piston.

Inventors:
ARNDT FRANK (DE)
JENSEN JENS DAHL (DE)
KRUEGER URSUS (DE)
ROENSCH HENDRIK (DE)
Application Number:
PCT/EP2006/064100
Publication Date:
January 18, 2007
Filing Date:
July 11, 2006
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AG (DE)
ARNDT FRANK (DE)
JENSEN JENS DAHL (DE)
KRUEGER URSUS (DE)
ROENSCH HENDRIK (DE)
International Classes:
F02B51/02; B01J23/46; B01J35/02; B01J35/10; F02B77/02
Foreign References:
US6240912B12001-06-05
FR2615247A11988-11-18
US20040087441A12004-05-06
JPH11223122A1999-08-17
DE19945742C12000-10-19
EP0695859A11996-02-07
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 008, no. 143 (M - 306) 4 July 1984 (1984-07-04)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 008, no. 201 (M - 325) 14 September 1984 (1984-09-14)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 007, no. 265 (M - 258) 25 November 1983 (1983-11-25)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 017, no. 423 (M - 1458) 6 August 1993 (1993-08-06)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 2003, no. 12 5 December 2003 (2003-12-05)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1998, no. 14 31 December 1998 (1998-12-31)
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 2002, no. 09 4 September 2002 (2002-09-04)
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (München, DE)
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Claims:

Patentansprüche

1. Katalysatorsystem für einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem einen Verbrennungsraum bildenden Zylinder (30) und/oder Kolben, wobei der Katalysator in Form von Nanoparti- keln in dem Zylinder (30) und/oder auf dem Kolben angeordnet ist .

2. Katalysatorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, dass die Nanopartikel in Nanopartikelröhren (20), welche eine Form etwa von länglichen Röhren besitzen, vorgesehen und/oder angeordnet sind

3. Katalysatorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- kennzeichnet, dass der mittlere Durchmesser der Nanopartikel ¬ röhren (20) mindestens 5 nm und höchstens 100 nm beträgt.

4. Katalysatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Länge der Nanoparti- kelröhren (20) mindestens 5 μm und höchstens 50 μm beträgt.

5. Katalysatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Abstand zwischen zwei benachbarten Nanopartikelröhren (20) mindestens 15 nm und höchstens 20 nm beträgt.

6. Katalysatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel im wesentlichen aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe umfassend Pt, Pd, Rh, Ir, Co, Ni, Cu Ag, Au, Ru, Ir, Os, Re und Mischungen daraus bestehen.

7. Katalysatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel im Bereich von mindestens 600 0 C bis höchstens 800 0 C temperaturstabil sind.

8. Katalysatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberfläche/Volumenverhältnis (auf einer Nanometer-Skala) der Nanopartikel mindestens 1:1 und höchstens 1:5 beträgt.

9. Katalysatorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel an die Oberflä ¬ chenstruktur des Zylinders und/oder Kolbens angepasst sind.

10. Verfahren zum Herstellen eines Katalysatorsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Zylinder im Wesentli ¬ chen aus Aluminium besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel während des Eloxierens des Aluminiums zugegeben werden und sich in die Oberflächenstruktur des Zylinders einlagern .

Description:

Beschreibung

Katalysatorsystem für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zu dessen Herstellung

Die Erfindung betrifft ein Katalysatorsystem für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Katalysatorsystems.

Bei modernen Verbrennungsmotoren, insbesondere im Automobilbereich, wird inzwischen dem Problem der Entfernung von unerwünschten Komponenten aus dem Verbrennungsgas große Aufmerksamkeit geschenkt. Hierbei werden üblicherweise Katalysatoren eingesetzt, die auf der Abgasseite des Motors angeordnet sind. Jedoch sind diese Katalysatoren meist nur bei verminderten Temperaturen aktiv, so dass beim Start des Motors die Effizienz meist gering ist. Außerdem neigen Katalysatoren, die abgasseitig angeordnet sind, zu erhöhter Korrosion, und die Leistung vermindert sich durch Ablagerung von chemischen Komponenten oder schlicht durch mechanische Abnutzung.

Aus dem Abstract der JP 11-223 122 A ist es z. B. bekannt, den Katalysator direkt in den angrenzenden Auslasstrackt des Zylinders für Verbrennungsgase einzubringen. Alternativ kann auch eine Katalysatorbeschichtung vorgesehen werden, die auf dem Kolben oder den Zylinderinnenwänden aufgebracht ist, so dass diese Beschichtung im durch den Zylinder und den Kolben gebildeten Verbrennungsraum aktiv wird.

Gemäß der DE 199 45 742 Cl ist ein Katalysator für eine

Verbrennungskraftmaschine offenbart, welcher einen Metallfa ¬ ser-Katalysatorkörper aufweist. Dieser kann auf dem Kolben fixiert werden, d. h. dass der Katalysator im Verbrennungs ¬ raum mit den Verbrennungsgasen in Berührung kommt . Hierdurch

ist bereits bei der Verbrennung eine katalytische Beeinflus ¬ sung des Verbrennungsprozesses möglich.

Auch gemäß der EP 0 695 859 Al kann Katalysatormaterial im Bereich zwischen Kolben und Zylinder derart angebracht sein, dass dieser während des Verbrennungsprozesses im Brennraum der Brennkraftmaschine zum Einsatz kommt.

Es ist daher die Aufgabe, ein Katalysatorsystem für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, der eine vergleichsweise gute Effizienz bei jeder Betriebssituation des Motors verbunden mit einer langen Leistungsdauer aufweist.

Diese Aufgabe wird durch ein Katalysatorsystem mit den Merk- malen des Anspruchs 1 gelöst. Demgemäß wird ein Katalysator ¬ system für einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder und/oder Kolben bereitgestellt, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass der Katalysator in Form von Nanoparti- keln auf dem Zylinder und/oder Kolben angeordnet ist.

Unter Nanopartikel im Sinne der vorliegenden Erfindung werden insbesondere Partikel verstanden, die eine oder mehr der fol ¬ genden Eigenschaften aufweisen: eine Form mit Durchmessern zwischen mindestens5 und höchs- tens 500 nm eine katalytisch aktive Oberfläche eine Materialzusammensetzung, die aus Metall, Keramik Glas, Kunststoff oder aus Mischungen der genannten Materialien besteht, wie z. B. Metall- Keramik oder Polymer- Keramik funktionalisierte Oberflächen

Ein „Core-Shell" (d.h. ein Kern mit einer Hülle) oder ein

Multi-Schicht-Aufbau .

Durch die Anordnung der Nanopartikel auf dem Zylinder und/oder Kolben ergeben sich u. a. mindestens einer der folgenden Vorteile:

Die Effizienz des Verbrennungsmotors wird dadurch gestei ¬ gert, dass der Katalysator im Verbrennungsraum angeordnet ist und somit auch beim Anfahren des Motors bei optimaler Temperatur arbeiten kann. - Durch die Anordnung auf dem Zylinder kann eine effizientere und saubere Katalyse erreicht werden; dadurch sind ins ¬ besondere auch längere Laufzeiten des Katalysators erziel ¬ bar . Dadurch, dass der Katalysator in Form von Nanopartikeln bereitgestellt wird, ist eine höhere Katalyserate pro Ge ¬ wicht an eingesetztem Katalysator verglichen mit Katalysatoren nach dem Stand der Technik erreichbar. Dadurch, dass abgasseitig kein extra Katalysatorraum bereitgestellt werden muss, kann eine kompaktere Bauweise erreicht werden, was z. B. einen Einsatz des Katalysatorsystems auch bei Motorsägen oder kleineren Fahrzeugen wie Mopeds oder Mofas erlaubt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Nanopartikel in Nanopartikelröhren, welche eine Form etwa von länglichen Röhren besitzen, vorgesehen und/oder angeordnet. Diese Anordnung hat sich als besonders effizient erwie ¬ sen, da so eine besonders gute Katalyseeffizienz erreichbar ist. Bevorzugt sind die Nanopartikel in Aluminiumoxid-Poren vorgesehen und/oder angeordnet bzw. die Nanopartikelrören sind in Form von Aluminiumoxid-Poren ausgebildet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der mittlere Durchmesser der Nanopartikelröhren mindestensδ nm und höchstens 100 nm. Dadurch kann die Katalyseeffizienz nochmals erhöht werden. Bevorzugt beträgt der mittlere Durch- messer der Nanopartikelröhren mindestens 10 nm und höchstens 50 nm, noch bevorzugt mindestens 12 nm und höchstens 40 nm, sowie am meisten bevorzugt mindestens 15 nm und höchstens 20 nm.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die mittlere Länge der Nanopartikelröhren mindestens 5μm und höchstens 50 μm. Durch eine solche Länge der Nanopartikelröhren wird die Absorption an die Nanopartikel erhöht und es kommt zu einer besseren Katalyse. Bevorzugt beträgt die mitt- lere Länge der Nanopartikelröhren mindestens 10 μm und höchs ¬ tens 30 μm, noch bevorzugt mindestens 25 μm und höchstens 25 μm.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt das Verhältnis von Durchmesser zur mittleren Länge der Nanopartikelröhren mindestens 1:300 und höchstens 1:1500. Dies hat sich in der Praxis als besonders vorteilhaft herausge ¬ stellt. Bevorzugt beträgt das Verhältnis von Durchmesser zur mittlere Länge der Nanopartikelröhren mindestens 1:500 und höchstens 1:1200, noch bevorzugt mindestens 1:800 und höchs ¬ tens 1:1000.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der mittlere Abstand zwischen zwei benachbarten Nanopartikel- röhren eines Clusters mindestens 15 nm und höchstens 20 nm.

So wird eine gute Katalyseeffizienz bei gleichzeitiger Stabilität der Nanopartikel erreicht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Nanopartikel im wesentlichen aus einem Material ausge ¬ wählt aus der Gruppe umfassend Pt, Pd, Rh, Ir, Co, Ni, Cu Ag, Au, Ru, Ir, Os, Re und Mischungen daraus. Diese Materialien haben sich in der Praxis als die besten Materialien für die vorliegende Erfindung erwiesen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Nanopartikel im Wesentlichen über den gesamten Tempera- turbereich von mindestens 600 0 C und höchstens 800 0 C tempe ¬ raturstabil .

Dadurch wird ein langer Einsatz in Verbrennungsmotoren erreicht. „Im wesentlichen" im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet mindestens 50%, bevorzugt mindestens 70% sowie am meisten bevorzugt mindestens 90%. Bevorzugt sind die Nanopar ¬ tikel im Wesentlichen über den gesamten Temperaturbereich von mindestens 400 0 C und höchstens 900 0 C, bevorzugt von mindes ¬ tens 200 0 C und höchstens 1000 0 C temperaturstabil.

Unter „temperaturstabil" im Sinne der vorliegenden Erfindung wird insbesondere verstanden, dass die genannten Materialien über den Temperaturbereich mechanisch stabil bleiben und/oder sich die Festigkeit über den Temperaturbereich nicht wesent- lieh ändert.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt das Oberfläche/Volumenverhältnis der Nanopartikel (auf einer Nanometer-Skala) von mindestens 1:1 und höchstens 1:5. Da- durch wird eine nochmals erhöhte Katalyseeffizienz erreicht. Bevorzugt beträgt das Oberfläche/Volumenverhältnis der Nano ¬ partikel mindestens 1:1,5 bis höchstens 1:4, noch bevorzugter mindestens 1:2 bis höchstens 1:35, sowie am meisten bevorzugt mindestens 1:25 bis höchstens 1:3.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Nanopartikel an die Oberflächenstruktur des Zylinders und/oder Kolbens angepasst.

Unter „angepasst" im Sinne der vorliegenden Erfindung wird insbesondere verstanden, dass die Nanopartikel eine Form und Größe besitzen, die in die Aluminumoxid-Poren gemäß der im folgenden beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Er- findung einlagerbar sind und/oder sich darin einlagern.

Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysatorsystems, welches wie oben be ¬ schriebene Nanopartikel enthält und wobei der Zylinder im We- sentlichen aus Aluminium besteht. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel während des Eloxierens des Aluminiums zugegeben werden und sich in die Oberflächenstruktur des Zylinders einlagern.

Für den Fall, dass der Zylinder im Wesentlichen aus Aluminium besteht, hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die Nano ¬ partikel während des Eloxieren des Aluminiums zuzugeben. Beim Eloxiervorgang wird die Oberfläche des Aluminiums zu Alumini ¬ umoxid oxidiert, wodurch sich eine nicht unwesentliche Ver- größerung des Volumens, etwa im Bereich von 20% ergibt. Die damit einhergehende Veränderung der Struktur bewirkt eine Einlagerung der Nanopartikel.

Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausfüh- rungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der - beispielhaft - ein Ausführungsbeispiel des erfindungs ¬ gemäßen Katalysatorsystems dargestellt sind. In der einzigen Zeichnung zeigt:

Figur 1 eine schematische, perspektivische Darstellung mit teilweiser Schnittansicht eines Ausschnitts der O- berfläche eines - sehr stark idealisierten - Katalysatorsystems gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung

Figur 1 zeigt eine schematische, perspektivische Darstellung mit teilweiser Schnittansicht eines Ausschnitts der Oberflä ¬ che eines - sehr stark idealisierten - Katalysatorsystems 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. In diesem Katalysatorsystem ist die Oberfläche eines Aluminiumzylinders 30 durch Eloxieren oxidiert worden, sodass sich hexagonale Zellen 10 aus Aluminiumoxid bilden. Es sei angemerkt, dass die regelmäßige Anordnung gemäß der Figur eine sehr stark i- dealisierte Darstellung ist; in der Realität werden sich die Durchmesser, die Dicke sowie die Anordnung der einzelnen Zellen 10 voneinander abweichen und eine statistische Verteilung bilden.

Wie in der Figur zu sehen ist, bilden sich innerhalb der einzelnen Zellen verschiedene Poren, die längliche Röhren (= die wie oben beschriebenen Nanopartikelröhren 20) bilden. Vor dem Eloxieren wurden nun Nanopartikel gemäß der vorliegenden Erfindung zugegeben, die sich (im Bild nicht gezeigt) in statistischer Weise innerhalb dieser Nanopartikelröhren anordnen und für den gewünschten erfindungsgemäßen Effekt sorgen. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Nanopartikelröhren

die oben beschriebenen Merkmale hinsichtlich Länge, Durchmesser sowie des Verhältnisses zwischen Durchmesser und Länge aufweisen .