DE102004049289B4 - Exhaust after-treatment system and exhaust aftertreatment method for an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Abgasnachbehandlungssystem (20) eines Verbrennungsmotors (10), das wenigstens einen, in Strömungsrichtung des Abgases betrachtet, SCR-Katalysatorabschnitt (22) und einen Oxidationskatalysatorabschnitt (24), die eine Baueinheit bilden, und eine Vorrichtung (28) zur Zufuhr eines ersten Hilfsstoffes (30) sowie eines zweiten Hilfsstoffes (32) zur Unterstützung der Abgasnachbehandlung aufweist, wobei die Vorrichtung (28) einen oder mehrere Dosierquerschnitte (34, 36) zur Dosierung des ersten Hilfsstoffes (30) und des zweiten Hilfsstoffes (32) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass, in Strömungsrichtung des Abgases betrachtet, nach dem Oxidationskatalysatorabschnitt (24) ein Partikelfilterabschnitt (26) vorgesehen ist, der in der das Abgasnachbehandlungssystem (20) bildenden Baueinheit enthalten ist, und dass sowohl die Zuleitung (38) für den ersten Hilfsstoff (30) als auch die Zuleitung (40) für den zweiten Hilfsstoff (32) in ein gleiches, in Strömungsrichtung des Abgases vor dem SCR-Katalysatorabschnitt (22) liegendes Teilvolumen (42) des Abgasnachbehandlungssystems (20) münden.An exhaust gas aftertreatment system (20) of an internal combustion engine (10) comprising at least one SCR catalytic converter section (22) and an oxidation catalytic converter section (24), which form a structural unit, and a device (28) for supplying a first auxiliary material ( 30) and a second auxiliary substance (32) for supporting the exhaust after-treatment, wherein the device (28) has one or more metering cross sections (34, 36) for metering the first adjuvant (30) and the second adjuvant (32), characterized that, viewed in the flow direction of the exhaust gas, after the oxidation catalyst section (24) is provided a particle filter section (26) which is contained in the structural unit forming the exhaust aftertreatment system (20) and in that both the feed line (38) for the first auxiliary (30) and the feed line (40) for the second auxiliary (32) in a same, in the flow direction of the exhaust gas before the SCR- Catalyst section (22) lying partial volume (42) of the exhaust aftertreatment system (20) open.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors, das wenigstens einen SCR-Katalysatorabschnitt, einen Oxidationskatalysatorabschnitt, einen Partikelfilterabschnitt und eine Vorrichtung zur Zufuhr eines ersten Hilfsstoffes sowie eines zweiten Hilfsstoffes zur Unterstützung der Abgasnachbehandlung aufweist, wobei die Vorrichtung einen oder mehrere Dosierquerschnitte zur Dosierung des ersten Hilfsstoffes und des zweiten Hilfsstoffes aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Nachbehandlung des Abgases eines Verbrennungsmotors mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem.The invention relates to an exhaust aftertreatment system of an internal combustion engine having at least one SCR catalyst section, an oxidation catalyst section, a particulate filter section and a device for supplying a first adjuvant and a second adjuvant to assist exhaust aftertreatment, the device having one or more metering cross sections for metering the first adjuvant and the second excipient. Furthermore, the invention relates to a method for the aftertreatment of the exhaust gas of an internal combustion engine with such an exhaust aftertreatment system.
Ein solches Abgasnachbehandlungssystem und ein solches Verfahren sind jeweils per se bekannt. Der SCR-Katalysatorabschnitt dient zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden im Abgas mit Hilfe eines Reduktionsmittels zu molekularem Stickstoff. Als Reduktionsmittel dient Ammoniak. Zur Erzeugung des Ammoniaks wird dem Abgas vor dem SCR-Katalysator als erster Hilfsstoff eine Harnstoff-Wasser-Lösung zugeführt. Im SCR-Katalysator oder in einem vorgeschalteten Hydrolysekatalysator zerfällt der zugeführte Harnstoff durch eine Reaktion mit dem Wasser der Lösung zu Ammoniak und Kohlendioxid.Such an exhaust aftertreatment system and method are known per se. The SCR catalyst section is used for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides in the exhaust gas with the aid of a reducing agent to form molecular nitrogen. The reducing agent is ammonia. To generate the ammonia, a urea-water solution is fed to the exhaust gas before the SCR catalyst as the first auxiliary. In the SCR catalyst or in an upstream hydrolysis catalyst, the urea supplied decomposes into ammonia and carbon dioxide by reaction with the water of the solution.
Der Partikelfilterabschnitt dient, wie der Name schon sagt, zur Verringerung der Partikelemissionen. Partikelfilter sind in der Regel als poröse Strukturen realisiert, die vom Abgas durchströmt werden und dabei die im Abgas enthaltenen Partikel in den porösen Strukturen zurückhalten. Um die Funktionsfähigkeit eines solchen Partikelfilters über längere Zeiträume aufrecht zu erhalten, müssen die zurückgehaltenen Partikel von Zeit zu Zeit aus dem Filter entfernt werden. Eine solche Regeneration des Filters erfolgt in der Regel durch eine thermische Oxidation der eingelagerten Partikel.The particle filter section serves, as the name implies, to reduce particulate emissions. Particle filters are usually realized as porous structures, which are traversed by the exhaust gas and thereby retain the particles contained in the exhaust gas in the porous structures. In order to maintain the functionality of such a particulate filter for extended periods of time, the retained particles must be removed from the filter from time to time. Such a regeneration of the filter is usually carried out by a thermal oxidation of the embedded particles.
Für die thermische Oxidation wird sauerstoffreiches, heißes Abgas durch eine dem Partikelfilter vorgeschaltete Regenerationseinheit erzeugt. Als Regenerationseinheiten sind Brenner, elektrische Heizer oder Oxidationskatalysatoren in Verbindung mit einer Zufuhr von Kohlenwasserstoffen vor den Oxidationskatalysator bekannt. Zur Aufheizung eines nachgeschalteten Partikelfilters vor einen Oxidationskatalysator in den Abgasstrom dosierte Kohlenwasserstoffe stellen damit ein Beispiel eines zweiten Hilfsstoffes zur Unterstützung der Abgasnachbehandlung dar.For the thermal oxidation, oxygen-rich, hot exhaust gas is generated by a regeneration unit upstream of the particle filter. As regeneration units burners, electric heaters or oxidation catalysts in connection with a supply of hydrocarbons in front of the oxidation catalyst are known. To heat a downstream particulate filter before an oxidation catalyst in the exhaust stream dosed hydrocarbons thus provide an example of a second excipient to support the exhaust aftertreatment.
Bei dem bekannten Abgasnachbehandlungssystem sind die genannten Katalysatorabschnitte voneinander und von dem Partikelfilterabschnitt durch zwischen ihnen liegende Teilvolumina des Abgasnachbehandlungssystems getrennt. Die Zufuhr des ersten Hilfsstoffes erfolgt dabei in das vor dem SCR-Katalysatorabschnitt liegende Teilvolumen und die Zufuhr des zweiten Hilfsstoffes erfolgt in das dem Partikelfilter vorgelagerte Teilvolumen des Abgasnachbehandlungssystems. Problematisch bei einem solchen bekannten Abgasnachbehandlungssystem ist der große Einbauraumbedarf, der sich aus dem Einbauraumbedarf der einzelnen Abgasnachbehandlungskomponenten und den genannten Teilvolumina des Abgasnachbehandlungssystems ergibt.In the known exhaust aftertreatment system, the catalyst sections mentioned are separated from one another and from the particle filter section by partial volumes of the exhaust aftertreatment system lying between them. The supply of the first auxiliary substance takes place in the part volume lying in front of the SCR catalyst section and the supply of the second auxiliary substance takes place in the partial volume of the exhaust gas aftertreatment system upstream of the particle filter. The problem with such a known exhaust aftertreatment system is the large installation space required, resulting from the installation space requirement of the individual exhaust aftertreatment components and the said sub-volumes of the exhaust aftertreatment system.
Die genannten Teilvolumina lassen sich nicht beliebig verkleinern, weil zum Beispiel die Ammoniakbildung aus einer Hydrolyse einer Harnstoff-Wasser-Lösung ein nicht vernachlässigbares Abgasvolumen und damit eine gewisse Länge benötigt. Ähnlich ist bei der Dosierung von Kohlenwasserstoffen vor einem Oxidationskatalysator eine Entfernung zum Oxidationskatalysator notwendig, um eine gute Vermischung und Aufbereitung der Kohlenwasserstoffe im Abgas vor einem Eintritt in den Oxidationskatalysator zu erreichen.The subvolumes mentioned can not be arbitrarily reduced because, for example, the formation of ammonia from a hydrolysis of a urea-water solution requires a non-negligible volume of exhaust gas and thus a certain length. Similarly, when dosing hydrocarbons in front of an oxidation catalyst, removal to the oxidation catalyst is necessary to achieve good mixing and treatment of the hydrocarbons in the exhaust gas prior to entry into the oxidation catalyst.
Die Offenlegungsschrift
In der Offenlegungsschrift
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Abgasnachbehandlungssystems, mit dem sowohl die Stickoxidemissionen als auch die Partikelemissionen von Verbrennungsmotoren verringert werden können und das einen im Vergleich zu dem bekannten Abgasnachbehandlungssystem verringerten Einbauplatzbedarf und insbesondere eine verringerte Länge aufweist.Against this background, the object of the invention is to specify an exhaust aftertreatment system with which both the nitrogen oxide emissions and the particle emissions of Internal combustion engines can be reduced and which has a reduced compared to the known exhaust aftertreatment system space requirement and in particular a reduced length.
Ferner besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Abgasnachbehandlungsverfahrens, mit dem sich ein verringerter Einbauplatzbedarf und eine kürzere Baulänge eines solchen Abgasnachbehandlungssystems realisieren lässt.Furthermore, the object of the invention is to specify an exhaust gas aftertreatment process with which a reduced installation space requirement and a shorter structural length of such an exhaust gas aftertreatment system can be realized.
Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem, das eine Baueinheit vorsieht, die, betrachtet in Strömungsrichtung des Abgases, einen SCR-Katalysatorabschnitt, einen Oxidationskatalysator Abschnitt und einen Partikelfilterabschnitt enthält, dadurch gelöst, dass Zuleitungen sowohl für die Zufuhr des ersten Hilfsstoffes als auch für die Zufuhr des zweiten Hilfsstoffes in dasselbe, vor dem SCR-Katalysatorabschnitt liegende Teilvolumen des Abgasnachbehandlungssystems münden. Beide Hilfsstoffe werden somit stromaufwärts vor den SCR-Katalysator dosiert, wobei beide Hilfsstoffe über getrennte Zuleitungen bis zu dem stromaufwärts vor dem SCR-Katalysatorabschnitt befindlichen Teilvolumen der Abgasnachbehandlungsvorrichtung geführt werden.This object is achieved in the exhaust aftertreatment system according to the invention, which provides an assembly which, viewed in the flow direction of the exhaust gas, an SCR catalyst section, an oxidation catalyst section and a particulate filter section, solved in that supply lines for both the supply of the first excipient and for Supply of the second excipient in the same, before the SCR catalyst section lying partial volume of the exhaust aftertreatment system open. Both auxiliaries are thus metered upstream of the SCR catalyst, with both auxiliaries being led via separate feed lines to the subvolume of the exhaust gas aftertreatment device located upstream of the SCR catalyst section.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems sind Gegenstände jeweils von abhängigen Vorrichtungsansprüchen.Advantageous embodiments and further developments of the exhaust aftertreatment system according to the invention are objects in each case of dependent device claims.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine kompakte Konstruktion der Abgasnachbehandlungsvorrichtung, wobei aufgrund der getrennten Zuführungsleitungen für die beiden Hilfsstoffe ein flexibles Dosierungskonzept der beiden Hilfsstoffe realisiert werden kann, welches jeweils Gegenstände der Verfahrensansprüche bildet.The inventive device enables a compact construction of the exhaust aftertreatment device, wherein due to the separate supply lines for the two auxiliaries a flexible dosing concept of the two auxiliaries can be realized, which forms in each case objects of the method claims.
Durch diese Merkmale erfolgt die Vermischung beider Hilfsstoffe mit dem Abgas in demselben Teilvolumen des Abgasnachbehandlungssystems. Durch die Reihenfolge der Anordnung der einzelnen Abgasnachbehandlungskomponenten ergibt sich bei der Aufheizung des Partikelfilters zu Regenerationszwecken keine Erwärmung oder Überhitzung des vorgeschalteten SCR-Katalysators. Die Anordnung des SCR-Katalysators vor dem Partikelfilter ist darüber hinaus für ein schnelles Einsetzen der selektiven katalytischen Reaktion nach einem Start des Verbrennungsmotors günstig.Due to these features, the mixing of the two auxiliaries with the exhaust gas takes place in the same subvolume of the exhaust aftertreatment system. The sequence of the arrangement of the individual exhaust aftertreatment components results in the heating of the particulate filter for regeneration purposes, no heating or overheating of the upstream SCR catalyst. The arrangement of the SCR catalyst in front of the particulate filter is also favorable for a rapid onset of the selective catalytic reaction after a start of the internal combustion engine.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass bei der Dosierung des ersten Hilfsstoffes und des zweiten Hilfsstoffes wenigstens ein erster Betriebsmodus von einem zweiten Betriebsmodus des Abgasnachbehandlungssystems unterschieden wird, wobei in dem ersten Betriebsmodus nur eine Dosierung des ersten Hilfsstoffes erfolgt und wobei in dem zweiten Betriebsmodus nur eine Dosierung des zweiten Hilfsstoffes erfolgt.The inventive method for operating the device is characterized in that at the dosage of the first adjuvant and the second adjuvant at least one first operating mode is distinguished from a second operating mode of the exhaust aftertreatment system, wherein in the first operating mode, only a dosage of the first excipient takes place and wherein in the second mode of operation only one dosage of the second excipient takes place.
Während der Zufuhr des ersten Hilfsstoffs werden die im Rohabgas des Verbrennungsmotors enthaltenen Stickoxide mit Hilfe des SCR-Katalysators zu molekularem Stickstoff reduziert, während sich die Partikel im Partikelfilterabschnitt ablagern. Im zweiten Betriebsmodus passiert der zugeführte zweite Hilfsstoff den SCR-Katalysator und wird am Oxidationskatalysator exotherm oxidiert. Die freigesetzte Wärme dient zusammen mit einem Sauerstoffüberschuss im Abgas zur Regeneration des Partikelfilterabschnitts durch eine thermische Oxidation der dort gespeicherten Partikel. Während der Regeneration des Partikelfilters erfolgt keine Reduzierung der Stickoxide im Abgas.During the supply of the first auxiliary substance, the nitrogen oxides contained in the raw exhaust gas of the internal combustion engine are reduced to molecular nitrogen with the aid of the SCR catalytic converter, while the particles are deposited in the particle filter section. In the second operating mode, the supplied second auxiliary substance passes through the SCR catalytic converter and is oxidized exothermically on the oxidation catalytic converter. The released heat, together with an excess of oxygen in the exhaust gas, serves to regenerate the particle filter section by thermal oxidation of the particles stored there. During the regeneration of the particulate filter there is no reduction of the nitrogen oxides in the exhaust gas.
Bevorzugt ist auch, dass bei der Dosierung des ersten Hilfsstoffes und des zweiten Hilfsstoffes wenigstens ein erster Betriebsmodus von einem dritten Betriebsmodus des Abgasnachbehandlungssystems unterschieden wird, wobei in dem ersten Betriebsmodus nur eine Dosierung des ersten Hilfsstoffes erfolgt und wobei in dem zweiten Betriebsmodus sowohl eine Dosierung des ersten Hilfsstoffs als auch eine Dosierung des zweiten Hilfsstoffs erfolgt.It is also preferred that when dosing the first adjuvant and the second adjuvant at least one first operating mode of a third operating mode of the exhaust aftertreatment system is distinguished, wherein in the first operating mode only a dosage of the first excipient takes place and wherein in the second operating mode both a dosage of first adjuvant and a dosage of the second excipient.
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Reduzierung der Stickoxide im Abgas, die eine Zufuhr des ersten Hilfsstoffes voraussetzt, bei einer Reduzierung des Partikelfilterabschnitts nicht unterbrochen werden muss.This refinement has the advantage that the reduction of the nitrogen oxides in the exhaust gas, which presupposes a supply of the first auxiliary substance, does not have to be interrupted when the particle filter section is reduced.
Ferner ist bevorzugt, dass innerhalb des ersten Betriebsmodus ein Beladungszustand des Partikelfilters ermittelt und mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen wird und dass eine Überschreitung des Schwellenwertes eine Umsteuerung in den zweiten Betriebsmodus auslöst.Furthermore, it is preferred that within the first operating mode, a loading state of the particulate filter is determined and compared with a predetermined threshold value and that exceeding the threshold triggers a changeover to the second operating mode.
Als Folge kann die mit einem an sich unerwünschten Verbrauch des zweiten Hilfsstoffs verbundene Regeneration des Partikelfilters bedarfsgerecht ausgelöst werden, so dass eine gute Filterwirkung mit einem geringen Verbrauch an zweitem Reduktionsmittel erzielt wird.As a consequence, the regeneration of the particulate filter associated with undesirable consumption of the second adjuvant per se can be triggered as needed, so that a good filtering effect with a low consumption of second reducing agent is achieved.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass innerhalb des zweiten Betriebsmodus ein Maß für eine Entladung des Partikelfilters gebildet und mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen wird und dass eine Überschreitung des Schwellenwertes eine Umsteuerung in den ersten Betriebsmodus auslöst.A further preferred embodiment provides that within the second operating mode, a measure for a discharge of the particulate filter is formed and compared with a predetermined threshold value and that exceeding the threshold triggers a changeover to the first operating mode.
Durch diese Ausgestaltung wird ebenfalls der Verbrauch des zweiten Reduktionsmittels verringert und außerdem wird eine gegebenenfalls erfolgende Unterbrechung der Reduzierung der Stickoxide minimiert. As a result of this embodiment, the consumption of the second reducing agent is likewise reduced and, in addition, any interruption of the reduction of the nitrogen oxides, which may possibly take place, is minimized.
Bevorzugt ist auch, dass die Zufuhr des ersten Hilfsstoffs und/oder des zweiten Hilfsstoffs wenigstens zeitweise zusammen mit einer Zufuhr von Luft zum Teilvolumen erfolgt.It is also preferred that the supply of the first adjuvant and / or of the second adjuvant takes place at least temporarily together with a supply of air to the partial volume.
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass auch während einer Regeneration des Partikelfilterabschnitts weiter Stickoxide reduziert werden.This refinement has the advantage that nitrogen oxides are further reduced even during regeneration of the particle filter section.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.Further advantages will become apparent from the description and the accompanying figures.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Zeichnungendrawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description. Show it:
Aus der Verbrennung entstehende Abgase werden durch ein Abgasnachbehandlungssystem
Bei dem ersten Hilfsstoff
Bevorzugt münden die Zuleitungen
Mit Hilfe des Sekundärluftgebläses
Im Folgenden wird unter Bezug auf die
Dabei repräsentiert der Schritt
Der erste Hilfsstoff
In einem Schritt
Im zweiten Betriebsmodus BM_2 wird die Zufuhr des ersten Hilfsstoffes
Die Menge des zweiten Hilfsstoffes
Sobald die Entladung E den Schwellenwert E_S überschreitet, was auf einen weitgehend entladenen und damit wieder aufnahmebereiten Partikelfilterabschnitt
Während der Regeneration des Partikelfilterabschnittes im zweiten Betriebsmodus BM_2 erfolgt keine Reduzierung der im Rohabgas enthaltenen Stickoxide.During the regeneration of the particle filter section in the second operating mode BM_2 there is no reduction of the nitrogen oxides contained in the raw exhaust gas.
Alternativ zur Durchführung eines zweiten Betriebsmodus BM_2 kann auch ein dritter Betriebsmodus BM_3 durchgeführt werden. Dies wird in der
Der zweite Betriebsmodus BM_2 oder der dritte Betriebsmodus BM_3 kommen im Vergleich zum ersten Betriebsmodus BM_1 selten vor. Üblicherweise wird der erste Betriebsmodus BM_1 über mehrere hundert Kilometer beibehalten, während die beiden anderen Betriebsmodi BM_2 oder BM_3 nur jeweils während einiger weniger Kilometer durchgeführt werden.The second operating mode BM_2 or the third operating mode BM_3 are rare compared to the first operating mode BM_1. Usually, the first operating mode BM_1 is maintained over several hundred kilometers, while the other two operating modes BM_2 or BM_3 are performed only for a few kilometers each.
Wie bereits erwähnt wurde, besteht ein Vorteil der Hintereinanderanordnung darin, dass es bei der Regeneration des Partikelfilterabschnittes
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