DE102008017280B4 - Arrangement for influencing the conversion behavior of catalytic converters - Google Patents

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Abstract

Anordnung zur Veränderung der Abgastemperatur und des Abgasdrucks als Betriebsparameter mindestens eines Katalysators (5) zur Veränderung der Zusammensetzung des Abgases einer Brennkraftmaschine (1), wobei die Anordnung umfasst: mindestens zwei abgasbetriebene Aufladegruppen (4, 7) mit mindestens zwei Abgasturbinen, welche eine Hochdruckturbine (3) und eine Niederdruckturbine (6) umfassen, die strömungstechnisch hintereinander angeordnet sind; mindestens einen Katalysator (5), der strömungstechnisch zwischen den mindestens zwei Abgasturbinen (3, 6) angebracht ist; und mindestens eine Einstell-Vorrichtung zum Verändern von Verdichterleistungen, Turbinenwirkungsgraden oder Verdichterwirkungsgraden der Aufladegruppen, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Katalysator (5) einen SCR-Katalysator umfasst, und dass strömungstechnisch zwischen der Hochdruckturbine (3) und dem SCR-Katalysator Ammoniak oder ammoniakabspaltendes Reduktionsmittel zuführbar ist, und ferner eine elektronische Kontrolleinheit umfassend, die zur Regelung der am SCR-Katalysator anliegenden Abgastemperatur und Abgasdruck mittels der Einstell-Vorrichtung ausgebildet ist.Arrangement for varying the exhaust-gas temperature and the exhaust-gas pressure as operating parameters of at least one catalytic converter (5) for changing the composition of the exhaust gas of an internal combustion engine (1), the arrangement comprising: at least two exhaust-gas-charged charging groups (4, 7) with at least two exhaust gas turbines, which are a high-pressure turbine (3) and a low-pressure turbine (6), which are arranged fluidically behind one another; at least one catalyst (5), which is fluidly mounted between the at least two exhaust gas turbines (3, 6); and at least one adjusting device for varying compressor powers, turbine efficiencies or compressor efficiencies of the charge groups, characterized in that the at least one catalyst (5) comprises an SCR catalyst and that fluidly between the high pressure turbine (3) and the SCR catalyst is ammonia or ammonia-releasing reducing agent can be supplied, and further comprising an electronic control unit, which is designed to control the applied to the SCR catalyst exhaust gas temperature and exhaust gas pressure by means of the adjusting device.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zur Beeinflussung des Umsatzverhaltens eines Abgasnachbehandlungssystems bei mit Abgasaufladung ausgestatteten Brennkraftmaschinen, wie Dieselmotoren und Ottomotoren, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to an arrangement for influencing the sales behavior of an exhaust aftertreatment system in equipped with exhaust charging internal combustion engines, such as diesel engines and gasoline engines, according to the preamble of claim 1.

Um die gesetzlich vorgeschriebenen Abgasgrenzwerte einzuhalten, sind inzwischen nahezu alle Brennkraftmaschinen mit katalytisch arbeitenden Nachbehandlungssystemen wie Drei-Wege-Katalysatoren, NOx-Speicherkatalysatoren, Katalysatoren zur Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidoxidation, SCR-Katalysatoren oder Partikelfiltern ausgestattet.In order to comply with the statutory exhaust emission limits, almost all internal combustion engines are now equipped with catalytic after treatment systems such as three-way catalytic converters, NOx storage catalysts, catalysts for hydrocarbon and carbon monoxide oxidation, SCR catalysts or particulate filters.

All diesen Systemen ist gemein, dass sie zur korrekten Funktion ausreichend hohe Abgastemperaturen voraussetzen. Dies ist besonders bei abgasaufgeladenen Brennkraftmaschinen problematisch, da der Abgasturbolader zur Verrichtung der Verdichtungsarbeit dem Abgas Enthalpie entzieht, was zu einer Abkühlung des Abgases führt. Wird die Brennkraftmaschine zusätzlich in schwachbelasteten Fahrzeugen eingesetzt, werden oft die notwendigen Mindesttemperaturen für die Nachbehandlungssysteme nicht erreicht.All these systems have in common that they presuppose sufficiently high exhaust gas temperatures for the correct function. This is particularly problematic in exhaust-gas-charged internal combustion engines, since the exhaust-gas turbocharger extracts enthalpy from the exhaust gas to perform the compression work, which leads to a cooling of the exhaust gas. If the internal combustion engine is additionally used in lightly loaded vehicles, the necessary minimum temperatures for the aftertreatment systems are often not reached.

Eine Lösungsmöglichkeit besteht darin, die Katalysatoren zu vergrößern und/oder die aktive Masse zu erhöhen. Allerdings führt dies zu erheblich höheren Kosten.One possible solution is to increase the catalysts and / or to increase the active mass. However, this leads to significantly higher costs.

Auch eine Anhebung der Abgastemperaturen durch Drosseln des Abgas- oder Frischluftsystems und/oder eine Absenkung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses und/oder einer Veränderung der Einspritzzeitpunkte sind denkbar, führen jedoch zu einem Verbrauchsanstieg.An increase in the exhaust gas temperatures by throttling the exhaust or fresh air system and / or a reduction in the air / fuel ratio and / or a change in the injection times are conceivable, but lead to an increase in consumption.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Katalysatoren stromauf des Abgasturboladers anzuordnen, allerdings kommt es dabei zu einer hohen thermischen Belastung der Katalysatoren, die bis zu deren Schädigung führen kann. So liegen die Abgastemperaturen stromauf des Turboladers bis zu 900°C.Another possibility is to arrange the catalysts upstream of the exhaust gas turbocharger, but this leads to a high thermal load of the catalysts, which can lead to their damage. The exhaust gas temperatures upstream of the turbocharger are up to 900 ° C.

Zusätzlich kommt es bei einigen Katalysatortypen, wie NO-Oxidations- und NOx-Speicherkatalysatoren, bei zu hohen Temperaturen zu einem Rückgang der erreichbaren Umsätze.In addition, in some types of catalysts, such as NO oxidation and NOx storage catalysts, at too high temperatures, a decline in the achievable revenues.

Einen weiteren wichtigen Betriebsparameter zur Veränderung der Umsätze stellt der Druck dar, unter dem die Katalysatoren arbeiten. Da mit steigendem Druck auch die Partialdrücke der umzusetzenden Abgaskomponenten ansteigen, kommt es zu einer Beschleunigung der Reaktionen. Dies führt im Vergleich zu niedrigeren Betriebsdrücken bei gleichen Temperaturen zu höheren Umsätzen. Eine Möglichkeit den Betriebsdruck anzuheben, wäre eine Drossel stromab des Nachbehandlungssystems anzubringen und dadurch den Abgasgegendruck zu erhöhen. Dies wird in der Praxis jedoch üblicherweise nicht durchgeführt, da dies einen deutlichen Verbrauchsanstieg zur Folge hat.Another important operating parameter for changing sales is the pressure under which the catalysts operate. Since the partial pressures of the exhaust gas components to be converted increase with increasing pressure, the reactions are accelerated. This leads to higher conversions compared to lower operating pressures at the same temperatures. One way to increase the operating pressure would be to install a throttle downstream of the aftertreatment system and thereby increase the exhaust backpressure. However, this is usually not done in practice because it results in a significant increase in consumption.

NO-Oxidationskatalysatoren werden sowohl beim SCR-Verfahren (selektive katalytische Reduktion), wie auch für die verbesserte Regeneration von Partikelfiltern eingesetzt.NO oxidation catalysts are used both in the SCR (Selective Catalytic Reduction) process and for the improved regeneration of particulate filters.

An den meist platinhaltigen NO-Oxidationskatalysatoren wird mit Hilfe von im Abgas enthaltenen Sauerstoff aus dem vom Motor emittierten Stickstoffmonoxid das starke Oxidationsmittel Stickstoffdioxid gebildet. 2NO + O2 ⇔ 2NO2 (1) At the mostly platinum-containing NO oxidation catalysts, the strong oxidant nitrogen dioxide is formed with the aid of oxygen contained in the exhaust gas from the nitrogen monoxide emitted by the engine. 2NO + O 2 ⇔ 2NO 2 (1)

Das Problem dieser NO-Oxidationskatalysatoren besteht darin, dass die maximal erzielbaren NO2-Anteile bei hohen Temperaturen thermodynamisch begrenzt werden. Dies führt dazu, dass, im Gegensatz zu anderen Abgaskatalysatoren die gewünschten Umsätze nach einem Anstieg bei niedrigen Temperaturen bei hohen Temperaturen wieder absinken und sich kein ausgeprägtes, plateauartiges Umsatzmaximum ausbildet.The problem of these NO oxidation catalysts is that the maximum achievable NO 2 levels are thermodynamically limited at high temperatures. This means that, in contrast to other catalytic converters, the desired conversions fall again after a rise at low temperatures at high temperatures and no pronounced, plateau-like sales maximum is formed.

Ein weiteres Problem stellt die Verschwefelung der NO-Oxidations- und NOx-Speicherkatalysatoren durch im Kraftstoff und/oder im Motorenöl enthaltenen Schwefel dar. Durch die Speicherung des Schwefels in den Katalysatoren geht deren NO-Oxidations- und/oder NOx-Speicherfähigkeit zurück. Eine Regeneration der Katalysatoren kann durch Anhebung der Abgastemperaturen auf über 500°C erfolgen, allerdings wird diese Temperatur im normalen Fahrzeugbetrieb stromab des Turboladers kaum erreicht.Another problem is the sulfurization of the NO oxidation and NOx storage catalysts by sulfur contained in the fuel and / or in the engine oil. The storage of sulfur in the catalysts reduces their NO oxidation and / or NOx storage capacity. A regeneration of the catalysts can be carried out by raising the exhaust gas temperatures to over 500 ° C, but this temperature is hardly reached in the normal vehicle operation downstream of the turbocharger.

Der Einsatz von SCR-Katalysatoren erfolgt seit vielen Jahren im Kraftwerksbereich und in jüngster Zeit auch bei Brennkraftmaschinen. Eine ausführliche Darstellung solcher Verfahren ist der DE 34 28 232 A1 zu entnehmen. Als SCR-Katalysatoren können V2O5-haltige Mischoxide, beispielsweise in der Form V2O5/WO3/TiO2, verwendet werden. Typische V2O5-Anteile liegen dabei zwischen 0,2–3%.The use of SCR catalysts has been used for many years in power plants and more recently also in internal combustion engines. A detailed description of such methods is the DE 34 28 232 A1 refer to. As SCR catalysts, V 2 O 5 -containing mixed oxides, for example in the form V 2 O 5 / WO 3 / TiO 2 , can be used. Typical V 2 O 5 contents are between 0.2-3%.

Als Reduktionsmittel kommen in der praktischen Anwendung Ammoniak oder Ammoniak abspaltende Verbindungen, wie Harnstoff oder Ammoniumformiat, in fester oder Lösungsform zum Einsatz.As reducing agents, ammonia or ammonia releasing compounds, such as urea or ammonium formate, in solid or solution form are used in practical application.

Für die Umsetzung von einem Mol Stickstoffmonoxid ist dabei ein Mol Ammoniak notwendig. 4NO + 4NH3 + O2 ⇒ 4N2 + 6H2O (2) One mole of ammonia is necessary for the reaction of one mole of nitrogen monoxide. 4NO + 4NH 3 + O 2 ⇒ 4N 2 + 6H 2 O (2)

Für die Zersetzung des Reduktionsmittels ist, insbesondere nach dem Start der Brennkraftmaschine, bzw. beim Betreiben der Brennkraftmaschine im unteren Leistungsbereich, die Abgastemperatur zu niedrig, um ohne den Anfall problematischer Nebenprodukte Ammoniak zu erzeugen.For the decomposition of the reducing agent, in particular after the start of the internal combustion engine, or when operating the internal combustion engine in the lower power range, the exhaust gas temperature is too low to produce without the onset of problematic by-products ammonia.

Im Zusammenhang mit der Zersetzung von Harnstoff ((NH2)2CO) in Ammoniak (NH3) ist bekannt, dass dies unter optimalen Bedingungen (Temperaturen über 350°C) in zwei Stufen geschieht, nach (NH2)2CO ⇒ NH3 + HNCO (3) erfolgt zunächst die Thermolyse, d. h. die thermische Zersetzung von Harnstoff. Anschließend erfolgt nach HNCO + H2O ⇒ NH3 + CO2 (4) die Hydrolyse, also die katalytische Zersetzung von Isocyansäure (HNCO) in Ammoniak (NH3) und Kohlendioxid (CO2).In connection with the decomposition of urea ((NH 2 ) 2 CO) in ammonia (NH 3 ), it is known that this occurs under optimal conditions (temperatures above 350 ° C) in two stages (NH 2 ) 2 CO ⇒ NH 3 + HNCO (3) First, the thermolysis, ie the thermal decomposition of urea. Subsequently, after HNCO + H 2 O ⇒ NH 3 + CO 2 (4) the hydrolysis, ie the catalytic decomposition of isocyanic acid (HNCO) into ammonia (NH 3 ) and carbon dioxide (CO 2 ).

Liegt das Reduktionsmittel in wässriger Form vor, wie Z. B. als eutektische Harnstofflösung (Markenname AdBlue), muss dieses Wasser zusätzlich vor und während der eigentlichen Thermo- und Hydrolyse verdampfen.If the reducing agent is present in aqueous form, such as, for example, as a eutectic urea solution (brand name AdBlue), this water must additionally evaporate before and during the actual thermal and hydrolysis.

Sind die bei der vorstehenden Reaktion nach (3) und (4) vorliegenden Temperaturen unter 350°C bzw. wird nur langsam erhitzt, ist es aus der DE 40 38 054 A1 bekannt, dass hauptsächlich feste unschmelzbare Cyanursäure durch Trimerisierung der nach (7) gebildeten Isocyansäure gemäß 3HNCO <350°C → ← >350°C (HNCO)3 (5) entsteht, die zur Verstopfung des nachfolgenden SCR-Katalysators führt. Abhilfe kann, wie in der erwähnten DE 40 38 054 ausgeführt, dadurch geschaffen werden, dass der mit dem Reduktionsmittel beladene Abgasstrom über einen Hydrolysekatalysator oder Harnstoffzersetzungskatalysator geführt wird. Die Abgastemperatur, ab der eine quantitative Hydrolyse möglich wird, lässt sich so auf 160°C absenken. Aufbau und Zusammensetzung eines entsprechenden Katalysators ist in der erwähnten Publikation ebenso beschrieben wie Aufbau und Funktion eines mit einem Hydrolysekatalysator ausgestatteten SCR-Katalysator-Systems.If the temperatures in the above reaction according to (3) and (4) below 350 ° C or is heated only slowly, it is from the DE 40 38 054 A1 discloses that mainly solid infusible cyanuric acid by trimerization according to (7) isocyanic acid according to 3HNCO <350 ° C → ←> 350 ° C (HNCO) 3 (5) arises, which leads to the blockage of the subsequent SCR catalyst. Remedy can, as in the mentioned DE 40 38 054 executed, be created by the exhaust gas flow laden with the reducing agent is passed through a hydrolysis or urea decomposition catalyst. The exhaust gas temperature, from which a quantitative hydrolysis is possible, can be lowered to 160 ° C. Structure and composition of a corresponding catalyst is described in the cited publication as well as structure and function of a equipped with a hydrolysis catalyst SCR catalyst system.

Wird den SCR-Katalysatoren ein platinhaltiger NO-Oxidationskatalysator zur Bildung von NO2 vorgeschaltet 2NO + O2 ⇔ 2NO2 (1) so kann die SCR-Reaktion erheblich beschleunigt und die Tieftemperaturaktivität merklich angehoben werden. NO + 2NH3 + NO2 ⇒ 2N2 + 3H2O (6) Is the SCR catalysts a platinum-containing NO oxidation catalyst upstream of the formation of NO 2 2NO + O 2 ⇔ 2NO 2 (1) Thus, the SCR reaction can be significantly accelerated and the low-temperature activity can be significantly increased. NO + 2NH 3 + NO 2 ⇒ 2N 2 + 3H 2 O (6)

Dabei ist darauf zu achten, dass der NO2-Anteil an den Gesamtstickoxiden nicht über 50% liegt, da es ansonsten zu einem Rückgang des NOx-Umsatzes kommt. Um dies zu gewährleisten, kann ein Bypass zum NO-Oxidationskatalysator angebracht werden, der bei zu hohen NO2-Anteilen geöffnet wird, um die gebildete NO2-Menge abzusenken. Beschrieben werden solche Bypasslösungen in EP 1495796A1 , EP 1217196A2 und DE 102005049656 . Auch aus anderen Anwendung sind Bypasslösungen um Katalysatoren bekannt ( JP 4 017 714 B2 , JP 3 275 924 B2 ). Der Nachteil dieser Lösungen besteht darin, dass mit der Bypasslösung nur der Umsatz verringert, aber nicht angehoben werden kann. Dies hat zur Folge, dass die Katalysatoren größer als notwendig ausgeführt werden und über den Bypass der dann zu hohe Umsatz verringert wird.Care should be taken to ensure that the NO 2 content of the total nitrogen oxides does not exceed 50%, as otherwise the NO x conversion will decrease. To ensure this, a bypass can be attached to the NO oxidation catalyst 2 is opened -Anteilen at too high NO to lower the NO formed 2 amount. Described are such bypass solutions in EP 1495796A1 . EP 1217196A2 and DE 102005049656 , Bypass solutions for catalysts are also known from other applications ( JP 4 017 714 B2 . JP 3 275 924 B2 ). The disadvantage of these solutions is that with the bypass solution only the sales reduced, but can not be raised. This has the consequence that the catalysts are made larger than necessary and is then reduced by the bypass of too high turnover.

Bei in Fahrzeugen betriebenen Brennkraftmaschinen gestaltet sich die Stickoxidreduzierung mit Hilfe des SCR-Verfahrens deshalb schwierig, weil dort wechselnde Betriebsbedingungen vorliegen, was die mengenmäßige Zumessung des Reduktionsmittels erschwert. Es soll zwar einerseits ein möglichst hoher Umsatz an Stickoxiden erreicht werden, andererseits ist aber darauf zu achteten, dass es nicht zur Emission von unverbrauchtem Ammoniak kommt. Um hier Abhilfe zu schaffen, wird häufig ein, dem SCR-Katalysator nachgeordneter Ammoniak-Sperrkatalysator eingesetzt, der überschüssigen Ammoniak zu Stickstoff und Wasserdampf umsetzt. Weiter kann der Einsatz von V2O5 als Aktivmaterial für den SCR-Katalysator dann Probleme aufwerfen, wenn die Abgastemperatur am SCR-Katalysator über 650°C liegt, weil V2O5 dann sublimiert. Hier bietet sich der Einsatz von Fe-, Cu- oder Co-haltigen Zeolithen als SCR-Katalysatoren an.In internal combustion engines operated in vehicles, nitrogen oxide reduction with the aid of the SCR method is therefore difficult because there are changing operating conditions, which makes the metering of the reducing agent more difficult. Although on the one hand the highest possible conversion of nitrogen oxides is to be achieved, on the other hand it is important to ensure that the emission of unused ammonia does not occur. In order to remedy this situation, an ammonia blocking catalyst arranged downstream of the SCR catalyst is frequently used, which converts excess ammonia into nitrogen and water vapor. Further, the use of V 2 O 5 as the active material for the SCR catalyst may pose problems when the exhaust temperature at the SCR catalyst is above 650 ° C because V 2 O 5 then sublimates. Here, the use of Fe, Cu or Co-containing zeolites as SCR catalysts offers.

Zur Minimierung der Feinstoffpartikel werden sowohl im Kraftwerksbereich als auch bei Fahrzeugen entweder sogenannte Partikelabscheider oder Partikelfilter eingesetzt. Eine für die Anwendung in Fahrzeugen typische Anordnung mit Partikelabscheider ist beispielsweise in der EP 1 072 765 A2 beschrieben. Derartige Anordnungen unterscheiden sich von solchen mit Partikelfiltern dadurch, dass der Durchmesser der Kanäle des Partikelabscheiders wesentlich größer als der Durchmesser der größten vorkommenden Partikel ist, während bei Partikelfiltern der Durchmesser der Filterkanäle im Bereich der Durchmesser der Partikel liegt. Infolge dieses Unterschiedes sind Partikelfilter verstopfungsgefährdet, was den Abgasgegendruck erhöht und die Motorleistung mindert. Eine Anordnung und ein Verfahren mit Partikelfilter ist der EP 0 341 832 A2 zu entnehmen. Die beiden vorgenannten Anordnungen bzw. Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass der jeweils stromauf zum Partikelabscheider bzw. Partikelfilter angeordnete Oxidationskatalysator – zumeist ein Katalysator mit Platin als Aktivmaterial – das Stickstoffmonoxid im Abgas mit Hilfe des ebenfalls enthaltenen Restsauerstoffes zu Stickstoffdioxid oxidiert, das sich wiederum im Partikelabscheider bzw. Partikelfilter mit den Kohlenstoffpartikeln zu CO, CO2, N2 und NO umsetzt. Auf diese Weise erfolgt eine kontinuierliche Entfernung der angelagerten Feinstoffpartikel, Regenerationszyklen, wie sie aufwändig bei anderen Anordnungen durchgeführt werden müssen, entfallen dadurch. 2NO2 + C ⇒ 2NO + CO2 (7) NO2 + C ⇒ NO + CO (8) 2C + 2NO2 ⇒ N2 + 2CO2 (9) In order to minimize the fine particles, either so-called particle separators or particulate filters are used both in power plants and in vehicles. A typical arrangement for use in vehicles with Partikelabscheider is for example in the EP 1 072 765 A2 described. Such arrangements differ from those with particle filters in that the diameter of the channels of the particle separator is substantially larger than the diameter of the largest occurring particles, while in particle filters, the diameter of the filter channels is in the range of the diameter of the particles. As a result of this Difference are particulate filter clogging, which increases the exhaust back pressure and reduces engine performance. An arrangement and a method with particle filter is the EP 0 341 832 A2 refer to. The two aforementioned arrangements and methods are distinguished by the fact that the oxidation catalyst arranged upstream of the particle separator or particle filter-usually a catalyst with platinum as active material-oxidizes the nitrogen monoxide in the exhaust gas to nitrogen dioxide with the aid of the likewise contained residual oxygen, which in turn Particle filter or particle filter with the carbon particles to CO, CO 2 , N 2 and NO. In this way, a continuous removal of the accumulated fine particles, regeneration cycles, as they must be carried out consuming in other arrangements, thereby eliminating. 2NO 2 + C ⇒ 2NO + CO 2 (7) NO 2 + C ⇒ NO + CO (8) 2C + 2NO 2 ⇒ N 2 + 2CO 2 (9)

Um die zukünftig geltenden Abgasbestimmungen zu erfüllen, ist der gleichzeitige Einsatz sowohl von Anordnungen zur Reduzierung der Stickoxidemission, als auch von Anordnungen zur Reduzierung der Feinstoffpartikelemission erforderlich. Hierzu sind bereits verschiedene Anordnungen und Verfahren bekannt geworden.In order to comply with the future applicable exhaust gas regulations, the simultaneous use of both arrangements for the reduction of nitrogen oxide emission, as well as arrangements for reducing the particulate matter emission is required. Various arrangements and methods have already become known for this purpose.

In der DE 103 48 799 A1 ist eine Anordnung beschrieben, die aus einem Oxidationskatalysator, einem stromab zu diesem im Abgasstrom angeordneten SCR-Katalysator und einem wiederum zu diesem stromab im Abgasstrom angeordneten Partikelfilter besteht. Die Zuführung des Reduktionsmittels für die im SCR-Katalysator ablaufende selektive katalytische Reaktion erfolgt unmittelbar vor dem SCR-Katalysator über eine in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine gesteuerte Harnstoffeinspritzeinrichtung. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, dass das im Oxidationskatalysator erzeugte Stickstoffdioxid durch die selektive katalytische Reduktion im SCR-Katalysator im wesentlichen vollständig verbraucht ist, also für die Umsetzung der im nachgeordneten Partikelfilter angelagerten Feinstoffpartikel nicht zur Verfügung steht. Die Regeneration des Partikelfilters muss deshalb aufwändig durch zyklisches Aufheizen des Abgasstroms bewerkstelligt werden, indem der Abgasstrom mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen angereichert wird. Dies geschieht entweder durch Anfetten des Verbrennungsgemisches oder Eindüsen von Kraftstoff vor den Partikelfilter. Eine derartige Anordnung zum Regenerieren des Partikelfilters ist einerseits aufwändig und damit teuer, andererseits erzeugt die zyklische Regeneration des am Ende der Anordnung liegenden Partikelfilters erneut Schadstoffe die nicht mehr aus dem Abgas entfernt werden können.In the DE 103 48 799 A1 an arrangement is described which consists of an oxidation catalyst, a downstream of this arranged in the exhaust gas flow SCR catalyst and in turn arranged downstream of this in the exhaust gas flow particle filter. The supply of the reducing agent for the selective catalytic reaction taking place in the SCR catalytic converter takes place immediately upstream of the SCR catalytic converter via a urea injection device controlled as a function of operating parameters of the internal combustion engine. A disadvantage of this arrangement is that the nitrogen dioxide generated in the oxidation catalyst is substantially completely consumed by the selective catalytic reduction in the SCR catalyst, that is, is not available for the implementation of the deposited in the downstream particulate filter fines. The regeneration of the particulate filter must therefore be accomplished consuming by cyclically heating the exhaust stream by the exhaust gas stream is enriched with unburned hydrocarbons. This is done either by enriching the combustion mixture or injecting fuel before the particulate filter. Such an arrangement for regenerating the particulate filter is on the one hand laborious and therefore expensive, on the other hand, the cyclic regeneration of the particle filter located at the end of the arrangement again generates pollutants which can no longer be removed from the exhaust gas.

Eine weitere Kombination aus einem Partikelfilter und einer Anordnung zur selektiven katalytischen Reduktion ist aus der EP 1 054 722 A1 bekannt geworden. Die dort beschriebene Anordnung besteht aus einem im Abgasstrom angeordneten Oxidationskatalysator der den Anteil des Stickstoffdioxides im Abgas erhöht, einem stromab nachgeordneten Feinstofffilter, einem Reservoir für die Reduktionsflüssigkeit sowie einer Einspritzeinrichtung für die Reduktionsflüssigkeit, die hinter dem Feinstofffilter angeordnet ist, und einem hierzu im Abgasstrom stromab angeordneten SCR-Katalysator.Another combination of a particulate filter and a selective catalytic reduction arrangement is known from US Pat EP 1 054 722 A1 known. The arrangement described therein consists of a arranged in the exhaust stream oxidation catalyst which increases the proportion of nitrogen dioxide in the exhaust, a downstream downstream fines filter, a reservoir for the reducing liquid and an injection device for the reducing liquid, which is located behind the fines filter, and downstream of this in the exhaust stream arranged SCR catalyst.

Weiter ist es aus der DE 10 2005 043 060 A1 eine Turboladereinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem ersten Abgasturbolader und einem weiteren Abgasturbolader bekannt. Die Turbine des ersten Abgasturboladers und die Turbine des weiteren Abgasturboladers sind in einer Abgasleitung vom Abgas der Brennkrafmaschine antreibbar und in Strömungsrichtung nacheinander vom Abgasmassenstrom beaufschlagbar. Es ist vorgesehen, dass die Turbine des ersten Abgasturboladers, eine erste Abgasnachbehandlungseinrichtung und die Turbine des weiteren Abgasturboladers in der Abgasleitung in Serie geschaltet sind, wobei eine vom Abgasmassenstrom mit einem Anteil von 0% bis 100% durchströmbare, regelbare Bypassleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts der Serienschaltung von der Abgasleitung abzweigt und in einer Einmündung stromabwärts der Turbine des ersten Abgasturboladers in die Abgasleitung wieder einmündet.Next it is from the DE 10 2005 043 060 A1 a turbocharger device for an internal combustion engine having at least a first exhaust gas turbocharger and a further exhaust gas turbocharger known. The turbine of the first exhaust gas turbocharger and the turbine of the further exhaust gas turbocharger are drivable in an exhaust pipe from the exhaust gas of the internal combustion engine and successively acted upon by the exhaust gas mass flow in the flow direction. It is envisaged that the turbine of the first exhaust gas turbocharger, a first exhaust aftertreatment device and the turbine of the further exhaust gas turbocharger in the exhaust line are connected in series, with a controllable bypass line, through which the exhaust gas mass flow can flow with a proportion of 0% to 100%, upstream the series circuit branches off from the exhaust pipe and opens into an outlet downstream of the turbine of the first exhaust gas turbocharger in the exhaust pipe again.

Aus der DE 103 19 594 A1 ist schließlich eine Turboladereinrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt, mit mindestens einem Abgasturbolader, dessen Turbine in einer Abgasleitung vom Abgas der Brennkraftmaschine antreibbar und dessen Verdichter in einer Luftzuführleitung angeordnet und zum Komprimieren von Verbrennungsluft der Brennkraftmaschine vorgesehen ist. In Serienschaltung zur Turbine befindet sich ein erster Abgaskatalysator in der Abgasleitung. Ebenso ist eine vom Abgasmassenstrom durchströmbare, schaltbare Umgehungsleitung vorgesehen, die stromauf der Serienschaltung von der Abgasleitung abzweigt und in einer Einmündung, stromab der Serienschaltung in die Abgasleitung wieder einmündet.From the DE 103 19 594 A1 Finally, a turbocharger device for an internal combustion engine is known, with at least one exhaust gas turbocharger whose turbine is driven in an exhaust pipe from the exhaust gas of the internal combustion engine and the compressor is arranged in an air supply line and provided for compressing combustion air of the internal combustion engine. In series with the turbine is a first exhaust gas catalyst in the exhaust pipe. Likewise, a switchable bypass line, through which the exhaust gas mass flow can flow, is provided, which branches off from the exhaust gas line upstream of the series connection and re-opens into the exhaust gas line in a junction downstream of the series connection.

Ausgehend vom vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung unter Vermeidung der Nachteile bekannter Anordnungen die Betriebsbedingungen mindestens eines Katalysators zur Abgasnachbehandlung so zu steuern oder zu regeln, dass sich die gewünschten Umsätze ergeben.Starting from the above-described prior art, the object of the invention, while avoiding the disadvantages of known arrangements, is to control or regulate the operating conditions of at least one exhaust aftertreatment catalyst such that the desired conversions result.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst gemäß dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1. This object is achieved according to the characterizing part of claim 1.

Zur Veränderung der Betriebsparameter, wie Temperatur und/oder Betriebsdruck mindestens eines Katalysators zur Veränderung der Zusammensetzung des Abgases einer Brennkraftmaschine und/oder eines Partikelfilters und/oder Partikelabscheiders wird eine Anordnung vorgeschlagen, die mindestens zwei abgasbetriebenen Aufladegruppen umfasst, wobei mindestens zwei Abgasturbinen strömungstechnisch hintereinander angeordnet sind und mindestens ein Katalysator und/oder Partikelfilter und/oder Partikelabscheider zwischen den mindestens zwei Abgasturbinen angebracht ist und die Verdichterleistungen und/oder die Turbinenwirkungsgrade und/oder die Verdichterwirkungsgrade durch mindestens eine Einstell-Vorrichtung verändert werden.To change the operating parameters, such as temperature and / or operating pressure of at least one catalyst for changing the composition of the exhaust gas of an internal combustion engine and / or a particulate filter and / or Partikelabscheiders an arrangement is proposed which comprises at least two exhaust gas-driven Aufladegruppen, wherein at least two exhaust gas turbines arranged one behind the other in terms of flow and at least one catalyst and / or particulate filter and / or particle separator between the at least two exhaust gas turbines is mounted and the compressor outputs and / or the turbine efficiencies and / or the compressor efficiencies are changed by at least one adjusting device.

Die dem Motor strömungstechnisch näher liegende Turbine wird dabei als Hochdruckturbine, die weiter entfernte, als Niederdruckturbine bezeichnet.The turbine, which is closer to the engine in terms of flow, is referred to as a high-pressure turbine, which is located farther away, as a low-pressure turbine.

Durch die Veränderung der Verdichterleistung und/oder des Turbinenwirkungsgrades und/oder des Verdichterwirkungsgrades mindestens einer Aufladegruppe ist es möglich, die Abgasenthalpie, die dem Abgas über die erste Hochdruckturbine entzogen wird, zu verändern und somit die gewünschte Abgastemperatur, die am Katalysator und/oder Partikelfilter anliegt, einzustellen. Zusätzlich ist eine Optimierung der Umsätze durch Veränderung des Abgasdrucks zwischen den Turbinen und damit des Betriebsdrucks des Katalysators möglich.By changing the compressor capacity and / or the turbine efficiency and / or the compressor efficiency of at least one charging group, it is possible to change the exhaust gas enthalpy, which is extracted from the exhaust gas via the first high-pressure turbine, and thus the desired exhaust gas temperature at the catalyst and / or particulate filter to adjust. In addition, an optimization of the sales by changing the exhaust gas pressure between the turbines and thus the operating pressure of the catalyst is possible.

Soll beispielsweise die Temperatur und/oder der Abgasdruck am Katalysator abgesenkt werden, kann die Verdichterleistung der Hochdruckstufe angehoben werden. Dadurch wird dem Abgas mehr Enthalpie entzogen, was zu einer Verringerung der Abgastemperatur und des Abgasdrucks zwischen der Hoch- und Niederdruckturbine führt. Da der Niederdruckstufe nun weniger Abgasenthalpie zur Verfügung steht, geht deren Verdichterleistung entsprechend zurück, so dass die geförderte Frischluftmenge sich in Summe nur wenig verändert. Soll die der Brennkraftmaschine zugeführte Luftmenge konstant gehalten werden, ist es sinnvoll, die Verdichterleistung der Niederdruckstufe durch entsprechende Vorrichtungen gezielt abzusenken.For example, if the temperature and / or the exhaust pressure to be lowered at the catalyst, the compressor power of the high pressure stage can be raised. As a result, more enthalpy is removed from the exhaust gas, which leads to a reduction in the exhaust gas temperature and the exhaust gas pressure between the high and low pressure turbine. Since the low-pressure stage is now less exhaust enthalpy available, their compressor power is reduced accordingly, so that the funded fresh air amount changes in total only slightly. If the amount of air supplied to the internal combustion engine is to be kept constant, it makes sense to deliberately lower the compressor power of the low-pressure stage by means of appropriate devices.

Soll dagegen die Abgastemperatur und/oder der Abgasdruck am Katalysator angehoben werden, wird die Verdichterleistung der Hochdruckstufe abgesenkt und die der Niederdruckstufe entsprechend angehoben. Dies ist besonders beim Kaltstart der Brennkraftmaschine sinnvoll, um die Katalysatoren möglichst schnell aufzuheizen.If, on the other hand, the exhaust-gas temperature and / or the exhaust-gas pressure on the catalytic converter are to be raised, the compressor output of the high-pressure stage is lowered and the low-pressure stage correspondingly raised. This is particularly useful when cold starting the engine to heat the catalysts as quickly as possible.

Die Verdichterleistungen und/oder die Turbinenwirkungsgrade und/oder die Verdichterwirkungsgrade können durch mehrere, auch untereinander kombinierbare Vorrichtungen verändert werden.The compressor capacities and / or the turbine efficiencies and / or the compressor efficiencies can be changed by a plurality of devices which can also be combined with one another.

Die einfachste Lösung besteht darin, eine Bypassleitung parallel zur Abgasturbine vorzusehen und mit Hilfe einer Absperrvorrichtung im Bypass die über den Bypass an der Turbine vorbeigeleitete Abgasmenge einzustellen. Je mehr Abgas über diesen Bypass an der Turbine vorbeigeführt wird, desto weniger Verdichterarbeit kann von dieser Ladegruppe verrichtet werden. Eine solche Vorrichtung wird als „Wastegate” bezeichnet und ist als solche Stand der Technik.The simplest solution is to provide a bypass line parallel to the exhaust gas turbine and set with the aid of a shut-off device in the bypass over the bypass bypassing the turbine exhaust gas. The more exhaust gas that bypasses the turbine via this bypass, the less compressor work can be done by this charging group. Such a device is referred to as a "wastegate" and as such is prior art.

Eine zweite Möglichkeit besteht darin, über verstellbare Leitapparate die Anströmung der Turbinenschaufeln zu variieren, was zu einer Veränderung der Verdichterleistung und des Turbinenwirkungsgrades führt. Solche Vorrichtungen werden als Turbolader mit variabeler Turbinengeometrie, kurz „VTG”, bezeichnet und sind in DE 3541508C1 , US6167703B1 und EP1334262A1 beschrieben.A second possibility is to vary the flow of the turbine blades via adjustable nozzles, which leads to a change in the compressor power and the turbine efficiency. Such devices are referred to as turbochargers with variable turbine geometry, in short "VTG", and are in DE 3541508C1 . US6167703B1 and EP1334262A1 described.

Eine dritte Ausführungsform sieht vor, eine Bypassleitung parallel zum Verdichter vorzusehen, über die Frischluft von der Hochdruckseite des Verdichters wieder auf die Niederdruckseite oder in die Umgebung zurückströmen kann. Durch eine verstellbare Absperrvorrichtung im Bypass kann die über den Bypass zurückströmende Frischluftmenge eingestellt oder eingeregelt werden, wodurch sich die Verdichterleistung und der Verdichterwirkungsgrad verändert.A third embodiment provides for a bypass line to be provided parallel to the compressor, via which fresh air can flow back from the high-pressure side of the compressor back to the low-pressure side or into the environment. By means of an adjustable shut-off device in the bypass, the amount of fresh air flowing back through the bypass can be adjusted or regulated, which alters the compressor capacity and the compressor efficiency.

Eine vierte Möglichkeit besteht darin, die Verdichterleistung durch Drosseln auf der Frischluftseite zu beeinflussen. Dabei können die Drosseln stromauf und/oder stromab des ersten und/oder zweiten Verdichters angebracht werden.A fourth possibility is to influence the compressor performance by throttling on the fresh air side. In this case, the throttles can be installed upstream and / or downstream of the first and / or second compressor.

Es ist auch möglich, die oben beschriebenen Vorrichtungen zu kombinieren. Ein Beispiel für eine auf solche Art kombinierte Aufladegruppe ist in EP1640583A2 gegeben, allerdings wird hier weder die Abgastemperatur noch der Abgasgegendruck, sondern der Ladedruck und damit die Frischluftmenge als Regelgröße verwendet.It is also possible to combine the devices described above. An example of a so-called combined charge group is in EP1640583A2 given, however, here neither the exhaust gas temperature nor the exhaust back pressure, but the boost pressure and thus the amount of fresh air is used as a controlled variable.

Auch eine verstellbare Drosselvorrichtung im Abgasstrom zwischen der Nieder- und Hochdruckturbine ist denkbar. Ist die Brennkraftmaschine in einem Fahrzeug verbaut, kann diese Drosselvorrichtung so ausgeführt sein, dass sie im Bremsbetrieb geschlossen wird, wodurch sie als Motorstaubremse wirkt.An adjustable throttle device in the exhaust gas flow between the low and high pressure turbine is conceivable. If the internal combustion engine is installed in a vehicle, this throttle device can be designed such that it is closed in the braking mode, whereby it acts as a motor dust brake.

Die Abgastemperaturen und Abgasdrücke zur Stellung oder Regelung des Systems können mit Hilfe von geeigneten Sensoren bestimmt oder aus, in einer elektronischen Kontrolleinheit abgelegten Modellen, also Tabellen bzw. Kurven, abgeschätzt werden.The exhaust gas temperatures and exhaust gas pressures for position or regulation of the system may be determined or determined by means of suitable sensors an electronic control unit stored models, ie tables or curves are estimated.

In der elektronischen Kontrolleinheit werden zudem die Soll-Betriebsparameter für den zwischen den Abgasturbinen angebrachten Katalysatoren ermittelt und die entsprechenden Stellen angesteuert. Dies geschieht ebenfalls über geeignete Modelle und/oder Sensoren, wobei die Rohemissionen und/oder die Sollemissionen und/oder die tatsächlichen Emissionen nach dem System und/oder die Abgasmasse und/oder die Luftmasse und/oder das Kraftstoff-/Luft-Verhältnis und/oder der Ladedruck und/oder der Atmosphäredruck und/oder die Abgasrückführungsrate und/oder der Abgasgegendruck und/oder der Restsauerstoffgehalt im Abgas und/oder die Betriebsdauer der Brennkraftmaschine und/oder des Nachbehandlungssystems zur Bestimmung der Sollparameter herangezogen werden.In addition, the target operating parameters for the catalytic converters mounted between the exhaust gas turbines are determined in the electronic control unit and the corresponding points are activated. This is also done via suitable models and / or sensors, whereby the raw emissions and / or the target emissions and / or the actual emissions according to the system and / or the exhaust mass and / or the air mass and / or the fuel / air ratio and / or or the boost pressure and / or the atmospheric pressure and / or the exhaust gas recirculation rate and / or the exhaust gas backpressure and / or the residual oxygen content in the exhaust gas and / or the service life of the internal combustion engine and / or the aftertreatment system are used to determine the desired parameters.

Das Verfahren bzw. eine entsprechend eingerichtete elektronischen Kontrolleinheit kann auch dazu eingesetzt werden, die Abgastemperatur kurzfristig anzuheben, um eine Regeneration des Abgasnachbehandlungssystems durchzuführen. Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn NO-Oxidations- und/oder NOx-Speicherkatalysatoren eingesetzt werden. Bei diesen Katalysatoren kommt es sehr leicht zu einer Sulfatisierung und einem dadurch bedingten Umsatzrückgang. Werden diese Katalysatoren zwischen den beiden Turbinen angebracht, kann durch eine kurzzeitige Veränderung der Verdichterleistung und/oder des Turbinenwirkungsgrades und/oder des Verdichterwirkungsgrades mindestens einer Aufladegruppe eine deutliche Temperaturanhebung an den Katalysatoren erzeugt und dadurch sehr einfach eine thermische Desulfatisierung dieser Katalysatoren durchgeführt werden. Entgegen dem Stand der Technik, bei dem üblicherweise zusätzlich Kraftstoff in die Brennkraftmaschine und/oder das Abgassystem zugegeben und/oder die Einspritzbeginne des Kraftstoffs nach „spät” verstellt werden, führt das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die entsprechend eingerichtete elektronischen Kontrolleinheit zu einem weit geringeren Anstieg des Kraftstoffverbrauchs.The method or an appropriately configured electronic control unit can also be used to raise the exhaust gas temperature in the short term to perform a regeneration of the exhaust aftertreatment system. This is useful, for example, when NO oxidation and / or NO x storage catalysts are used. In these catalysts, it is very easy to sulfation and consequent sales decline. If these catalysts are installed between the two turbines, a short-term change in the compressor capacity and / or the turbine efficiency and / or the compressor efficiency of at least one charging group can produce a significant increase in temperature on the catalysts, and thermal desulfation of these catalysts can be carried out very simply. Contrary to the state of the art, in which fuel is usually additionally added to the internal combustion engine and / or the exhaust system and / or the injection starts of the fuel are adjusted "late", the method according to the invention or the correspondingly configured electronic control unit leads to a much smaller increase of fuel consumption.

Auf gleiche Weise kann ein zwischen den Turbinen angebrachter Partikelfilter regeneriert werden, da es bei hohen Temperaturen zu einer Oxidation des im Partikelfilter abgeschiednen kohlenstoffhaltigen Rußes mit Hilfe von Sauerstoff kommt. 2C + O2 ⇒ 2CO (10) In the same way, a particulate filter installed between the turbines can be regenerated since, at high temperatures, oxidation of the carbonaceous soot deposited in the particulate filter with the aid of oxygen occurs. 2C + O 2 ⇒ 2CO (10)

Als Abgasnachbehandlungskomponenten zwischen den mindestens zwei Abgasturbinen können NO-Oxidationskatalysatoren und/oder Drei-Wege-Katalysatoren und/oder NOx-Speicherkatalysatoren und/oder Harnstoff-Zersetzungskatalysatoren und/oder Hydrolysekatalysatoren und/oder Katalysatoren zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen und/oder Katalysatoren zur Oxidation von Kohlenmonoxid und oder Katalysatoren zur Oxidation von Ammoniak und/oder SCR-Katalysatoren und/oder Partikelfilter und/oder Partikelabscheider verwendet werden.As exhaust aftertreatment components between the at least two exhaust gas turbines NO-oxidation catalysts and / or three-way catalysts and / or NOx storage catalysts and / or urea decomposition catalysts and / or hydrolysis catalysts and / or catalysts for the oxidation of hydrocarbons and / or catalysts for the oxidation of Carbon monoxide and / or catalysts for the oxidation of ammonia and / or SCR catalysts and / or particulate filter and / or particle are used.

Diese können auch zu einer baulichen Einheit zusammengefasst werden.These can also be combined into a structural unit.

Als Material für den Partikelfilter eignen sich in vorteilhafter Weise Cordierit oder Siliziumcarbid oder Sintermetall oder keramische Fasern oder Silikatfasern oder Metallgestricke oder Aluminiumtitanat.Cordierite or silicon carbide or sintered metal or ceramic fibers or silicate fibers or metal knits or aluminum titanate are advantageously suitable as material for the particle filter.

Als Aktivkomponenten für die NO-Oxidations-, Drei-Wege- und NH3-Oxidationskatalysatoren kommen Elemente der Platinmetallgruppe und deren Oxide und/oder Zeolithe in Frage.Suitable active components for the NO oxidation, three-way and NH 3 oxidation catalysts are elements of the platinum metal group and their oxides and / or zeolites.

Als Aktivkomponenten für die SCR-Katalysatoren sind Vanadiumoxid und/oder Wolframoxid und/oder Titandioxid und/oder Eisenzeolithe und/oder Kupferzeolithe und/oder Kobaltzeolithe einsetzbar. Zur NOx-Umsetzung muss die Reduktionsmittelzuführung stromauf des SCR-Katalysators erfolgen, vorteilhaft zwischen der Hochdruckstufe und dem SCR-Katalysator.Vanadium oxide and / or tungsten oxide and / or titanium dioxide and / or iron zeolites and / or copper zeolites and / or cobalt zeolites can be used as active components for the SCR catalysts. Carried out for NO x conversion must reductant supply upstream of the SCR catalyst, advantageously between the high pressure stage and the SCR catalyst.

Als Aktivkomponenten für die NO-Speicherkatalysatoren sind Bariumoxid und Platinmetalle denkbar.Barium oxide and platinum metals are conceivable as active components for the NO storage catalysts.

Als Aktivkomponente für die Harnstoffzersetzungskatalysatoren kommen TiO2 und/oder TiO2/SiO2 und/oder TiO2/SiO2/Al2O3 und/oder Zeolithe in Frage.Suitable active components for the urea decomposition catalysts are TiO 2 and / or TiO 2 / SiO 2 and / or TiO 2 / SiO 2 / Al 2 O 3 and / or zeolites.

Bei Einsatz eines SCR- und/oder Harnstoffzersetzungskatalysators ist es sinnvoll, das benötigte Reduktionsmittel stromab der Hochdruckturbine und stromauf der SCR- oder Harnstoffzersetzungskatalysatoren zuzugeben.When using an SCR and / or urea decomposition catalyst, it makes sense to add the required reducing agent downstream of the high pressure turbine and upstream of the SCR or urea decomposition catalysts.

Die oben beschriebenen Katalysatoren können in einem Gehäuse untergebracht werden, das gleichzeitig als Abgasschalldämpfer wirkt. Hierfür können Dämpfungsvolumen und/oder Dämmmatten und/oder perforierte Zwischenbleche und/oder perforierte Rohrstücke eingesetzt werden.The catalysts described above can be housed in a housing which simultaneously acts as an exhaust muffler. For this purpose, damping volume and / or insulating mats and / or perforated intermediate plates and / or perforated pipe sections can be used.

Nachfolgend wird die Erfindung mit Hilfe der Zeichnungen anhand einiger Beispiele näher erläutert, es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to the drawings with reference to some examples, in which:

1 Thermodynamisches Gleichgewicht zwischen NO und NO2 und Wirkung eines NO-Oxidationskatalysators; 1 Thermodynamic equilibrium between NO and NO 2 and effect of a NO oxidation catalyst;

2 schematischer Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Wastegate an der Hochdruckturbine; 2 schematic structure of the inventive arrangement with a wastegate on the high-pressure turbine;

3 schematischer Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung, mit je einem Wastegate an der Hochdruck- und der Niederdruckturbine; 3 schematic structure of the arrangement according to the invention, each with a wastegate on the high-pressure and the low-pressure turbine;

4 schematischer Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung mit je einem Bypass am Hochdruck- und Niederdruckverdichter; 4 schematic structure of the arrangement according to the invention, each with a bypass on the high-pressure and low-pressure compressor;

5 schematischer Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung mit je einem Wastegate und variabler Turbinengeometrie an der Hochdruck- und der Niederdruckturbine und je einem Bypass am Hochdruck- und Niederdruckverdichter; 5 schematic structure of the arrangement according to the invention, each with a wastegate and variable turbine geometry at the high-pressure and low-pressure turbine and one bypass on the high-pressure and low-pressure compressor;

6 schematischer Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung mit je einem Wastegate an der Hochdruck- und der Niederdruckturbine, einer verstellbaren Drossel stromauf des Niederdruckladers sowie einem NO-Oxidationskatalyator und einem Partikelfilter. 6 schematic structure of the arrangement according to the invention, each with a wastegate on the high-pressure and low-pressure turbine, an adjustable throttle upstream of the low-pressure supercharger and a NO Oxidationskatalyator and a particulate filter.

In 1 ist die Bildung von NO2 am Beispiel zweier unterschiedlich aktiver NO-Oxidationsatalysatoren dargestellt. Deutlich zu erkennen ist, dass, obwohl der Katalysator 1 bei tiefen Temperaturen deutlich mehr NO in NO2 überführt, als der Katalysator 2, bei hohen Temperaturen die NO2-Anteile aber thermodynamisch begrenzt werden, was dazu führt, dass ab Temperaturen von ca. 400°C kein Unterschied mehr zwischen den beiden Katalysatoren besteht. Soll der maximal mögliche NO-Umsatz an den Katalysatoren dargestellt werden, so sollten die Temperaturen durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. eine entsprechend eingerichtete elektronischen Kontrolleinheit für den Katalysator 1 auf ca. 290°C und für den Katalysator 2 auf ca. 350°C eingeregelt werden. Sollen dagegen die für das SCR-Verfahren optimalen 50%-NO2-Anteil eingestellt werden, so ergeben sich für den Katalysator 1 als mögliche Temperaturen 220°C oder 430°C, für den Katalysator 2 290°C oder wiederum 430°C.In 1 the formation of NO 2 is illustrated by the example of two differently active NO oxidation catalysts. It can be clearly seen that, although the catalyst 1 At low temperatures, significantly more NO is converted into NO 2 than the catalyst 2 However, at high temperatures, the NO 2 levels are thermodynamically limited, which means that from temperatures of about 400 ° C, there is no difference between the two catalysts. If the maximum possible NO conversion of the catalysts is to be represented, the temperatures should be determined by the method according to the invention or a correspondingly set up electronic control unit for the catalyst 1 to about 290 ° C and for the catalyst 2 be adjusted to about 350 ° C. If, on the other hand, the optimum 50% NO 2 content for the SCR process is to be set, the result for the catalyst 1 as possible temperatures 220 ° C or 430 ° C, for the catalyst 2 290 ° C or 430 ° C again.

In 2 ist der schematische Ausbau der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt: Das Abgas 2 einer Brennkraftmaschine 1 strömt durch die Hochdruckturbine 3 der ersten Aufladegruppe 4, anschließend durch einen stromab angebrachten Abgaskatalysator 5 und die Niederdruckturbine 6 der zweiten Aufladegruppe 7. Über den Verdichter der zweiten Aufladegruppe 7 wird Frischluft 8 angesaugt, verdichtet und über den Verdichter der ersten Aufladegruppe 4 der Brennkraftmaschine 1 als komprimierte Ladeluft 9 zugeführt. Um die Verdichterleistung der ersten Aufladegruppe 4 zu verändern, ist parallel zur Hochdruckturbine 3 ein Bypass 10 in Form eines Wastegates inklusive einer Absperrvorrichtung 11 angebracht. Durch Variation der mittels der Absperrvorrichtung 11 über das Wastegate geführten Abgasmenge lässt sich die Turbinenleistung und damit die Temperatur bzw. der Druck am Katalysator 5 einstellen.In 2 the schematic expansion of the arrangement according to the invention is shown: the exhaust gas 2 an internal combustion engine 1 flows through the high-pressure turbine 3 the first charging group 4 , then through a downstream mounted catalytic converter 5 and the low-pressure turbine 6 the second charging group 7 , About the compressor of the second charging group 7 gets fresh air 8th sucked, compressed and over the compressor of the first Aufladegruppe 4 the internal combustion engine 1 as compressed charge air 9 fed. To the compressor capacity of the first charging group 4 to change, is parallel to the high-pressure turbine 3 a bypass 10 in the form of a wastegate including a shut-off device 11 appropriate. By varying the means of the shut-off device 11 The exhaust gas flow rate via the wastegate can be used to control the turbine output and thus the temperature or pressure at the catalytic converter 5 to adjust.

Bei dem Katalysator 5 kann es sich um einen SCR-Katalysator und, optional zusätzlich, einen NO-Oxidations- und/oder NH3-Oxidations- und/oder Kohlenwasserstoffoxidations- und/oder Kohlenmonoxidoxidations- und/oder Harnstoffzersetzungs- und/oder Hydrolyse- und/oder NOx-Speicherkatalysator handeln.With the catalyst 5 it may be an SCR catalyst and, optionally, an NO oxidation and / or NH 3 oxidation and / or hydrocarbon oxidation and / or Kohlenmonoxidoxidations- and / or urea decomposition and / or hydrolysis and / or NOx Storage catalytic act.

Handelt es sich bei dem Katalysator 5 um einen SCR- und/oder Harnstoffzersetzungs- und/oder Hydrolysekatalysator, ist die Zuführung eines Reduktionsmittels erforderlich. Die in 2 nicht dargestellte Zuführung erfolgt dann zwischen der Hochdruckturbine und dem Katalysator. Als Reduktionsmittel wird üblicherweise Ammoniak oder ein ammoniakabspaltendes Reduktionsmittel wie wässrige Harnstofflösung eingesetzt. Wird Ammoniak zugeführt, ist es sinnvoll, diesen in einer vorgelagerten Reduktionsmittelaufbereitungseinheit, die in einem Bypass zur Turbine des Hochdruckturboladers angeordnet sein kann, aus einem Reduktionsmittel wie z. B. wässriger Harnstofflösung herzustellen. Die vorstehend beschriebene Reduktionsmittelzuführung kann auch bei den nachfolgenden Beispielen entsprechend realisiert sein, ohne dass dies eigens erwähnt wird.Is it the catalyst 5 an SCR and / or urea decomposition and / or hydrolysis catalyst, the supply of a reducing agent is required. In the 2 Not shown supply then takes place between the high-pressure turbine and the catalyst. The reducing agent used is usually ammonia or an ammonia-releasing reducing agent, such as aqueous urea solution. If ammonia is supplied, it makes sense to use it in a downstream reducing agent processing unit, which may be arranged in a bypass to the turbine of the high-pressure turbocharger, from a reducing agent such. B. prepare aqueous urea solution. The above-described reducing agent supply can also be realized accordingly in the following examples, without this being mentioned separately.

Die Anordnung nach 3 entspricht in weiten Teilen dem Beispiel nach 2, zusätzlich ist jedoch auch an der Niederdruckturbine 6 ein weiterer Bypass 10 mit einer Absperreinrichtung 11' parallel geschaltet. Es lässt sich somit auch die Leistung der Niederdruckturbine 6 direkt beeinflussen, so dass sich die Regelbarkeit der gesamten Anordnung insbesondere auch hinsichtlich der am Katalysator anliegenden Temperatur bzw. des Druckes verbessert.The arrangement after 3 corresponds in many parts to the example 2 , however, is also on the low-pressure turbine 6 another bypass 10 with a shut-off device 11 ' connected in parallel. It is thus also the performance of the low-pressure turbine 6 directly influence, so that the controllability of the entire arrangement in particular also improves with respect to the temperature applied to the catalyst or the pressure.

Eine weitere Möglichkeit, die Verdichterleistung der Verdichter 3 und 6 zu beeinflussen, ist in 4 gezeigt. Hier sind bei einer Anordnung ähnlich der im Beispiel nach 3, an Stelle der Wastegates an denn Turbinen, Bypässe 10'', 10''' parallel zu den Verdichtern angeordnet. Durch eine verstellbare Absperrvorrichtung 11'', 11''' in den Bypässen 10'', 10''' kann die über diese zurückströmende Frischluftmenge eingestellt oder eingeregelt werden, wodurch sich die Verdichterleistung und der Verdichterwirkungsgrad verändert. Auch hierdurch lässt sich die Leistung der Turbinen 3 und 6 beeinflussen, so dass auch auf diese Weise Temperatur und Druck am Katalysator 5 einstellbar sind.Another way, the compressor capacity of the compressor 3 and 6 to influence is in 4 shown. Here are in an arrangement similar to the example according to 3 , in place of the wastegate on because turbines, bypasses 10 '' . 10 ''' arranged parallel to the compressors. By an adjustable shut-off device 11 '' . 11 ''' in the bypasses 10 '' . 10 ''' the amount of fresh air flowing back through this can be adjusted or adjusted, which changes the compressor capacity and the compressor efficiency. This also allows the performance of the turbines 3 and 6 influence, so that in this way temperature and pressure on the catalyst 5 are adjustable.

Eine Kombination der Anordnung gemäß 3 und der gemäß 4 zeigt 5. Hier sind Bypässe 10, 10', 10'', 10''' in Form von regelbaren Wastegates an sämtlichen Turbinen 12, 12' und Verdichtern angeordnet. Zusätzlich sind die Turbinen 12, 12' mit variabler Turbinengeometrie ausgestattet. Diese Anordnung lässt die maximale Regelbarkeit der Temperatur bzw. des Drucks am Katalysator zu.A combination of the arrangement according to 3 and according to 4 shows 5 , Here are bypasses 10 . 10 ' . 10 '' . 10 ''' in the form of controllable wastegates on all turbines 12 . 12 ' and compressors arranged. In addition, the turbines 12 . 12 ' equipped with variable turbine geometry. This arrangement allows the maximum controllability of the temperature or the pressure at the catalyst.

Der in 6 dargestellte Aufbau ähnelt dem in 2 beschriebenen, zusätzlich ist zwischen den beiden Abgasturbinen 3, 6 eine verstellbare Drosselvorrichtung 13 zur Veränderung der Verdichterleistungen angebracht. Mit Hilfe der Drosselvorrichtung 13 kann darüber hinaus, durch komplettes Absperren, eine Motorbremse realisiert werden.The in 6 The structure shown is similar to that in FIG 2 described, in addition, is between the two exhaust gas turbines 3 . 6 an adjustable throttle device 13 attached to change the compressor performance. With the help of the throttle device 13 In addition, by means of complete shut-off, an engine brake can be realized.

Wie weiter in 6 gezeigt, sind zwischen der Hochdruckturbine 3 und der Niederdruckturbine 5 ein Katalysator zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen und/oder Kohlenmonoxid und/oder Stickstoffmonoxid 14 und ein Partikelfilter 15 angeordnet, wobei diese beiden Nachbehandlungssysteme eine bauliche Einheit bilden. Die Temperatur bzw. der Druck am Katalysator 14 bzw. am Partikelfilter 15 lassen sich auf die bereits in den vorstehenden Beispielen ausführlich beschriebene Weise durch Variation der Verdichterleistung regeln.As in further 6 shown are between the high pressure turbine 3 and the low-pressure turbine 5 a catalyst for the oxidation of hydrocarbons and / or carbon monoxide and / or nitrogen monoxide 14 and a particle filter 15 arranged, these two aftertreatment systems form a structural unit. The temperature or the pressure at the catalyst 14 or on the particle filter 15 can be controlled in the manner already described in detail in the preceding examples by varying the compressor capacity.

Bei Einsatz eines SCR- und/oder Harnstoffzersetzungskatalysators ist es sinnvoll, das benötigte Reduktionsmittel stromab der Hochdruckturbine und stromauf der SCR- oder Harnstoffzersetzungskatalysatoren zuzugeben.When using an SCR and / or urea decomposition catalyst, it makes sense to add the required reducing agent downstream of the high pressure turbine and upstream of the SCR or urea decomposition catalysts.

Claims (13)

Anordnung zur Veränderung der Abgastemperatur und des Abgasdrucks als Betriebsparameter mindestens eines Katalysators (5) zur Veränderung der Zusammensetzung des Abgases einer Brennkraftmaschine (1), wobei die Anordnung umfasst: mindestens zwei abgasbetriebene Aufladegruppen (4, 7) mit mindestens zwei Abgasturbinen, welche eine Hochdruckturbine (3) und eine Niederdruckturbine (6) umfassen, die strömungstechnisch hintereinander angeordnet sind; mindestens einen Katalysator (5), der strömungstechnisch zwischen den mindestens zwei Abgasturbinen (3, 6) angebracht ist; und mindestens eine Einstell-Vorrichtung zum Verändern von Verdichterleistungen, Turbinenwirkungsgraden oder Verdichterwirkungsgraden der Aufladegruppen, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Katalysator (5) einen SCR-Katalysator umfasst, und dass strömungstechnisch zwischen der Hochdruckturbine (3) und dem SCR-Katalysator Ammoniak oder ammoniakabspaltendes Reduktionsmittel zuführbar ist, und ferner eine elektronische Kontrolleinheit umfassend, die zur Regelung der am SCR-Katalysator anliegenden Abgastemperatur und Abgasdruck mittels der Einstell-Vorrichtung ausgebildet ist.Arrangement for changing the exhaust gas temperature and the exhaust gas pressure as operating parameters of at least one catalytic converter ( 5 ) for changing the composition of the exhaust gas of an internal combustion engine ( 1 ), the arrangement comprising: at least two exhaust gas-driven charging groups ( 4 . 7 ) with at least two exhaust gas turbines, which a high-pressure turbine ( 3 ) and a low-pressure turbine ( 6 ), which are arranged fluidically behind one another; at least one catalyst ( 5 ), which fluidly between the at least two exhaust gas turbines ( 3 . 6 ) is attached; and at least one adjusting device for varying compressor capacities, turbine efficiencies or compressor efficiencies of the charging groups, characterized in that the at least one catalyst ( 5 ) comprises an SCR catalyst, and that fluidically between the high-pressure turbine ( 3 ) and the SCR catalyst ammonia or ammonia-releasing reducing agent can be fed, and further comprising an electronic control unit, which is designed to control the applied to the SCR catalyst exhaust gas temperature and exhaust gas pressure by means of the adjusting device. Anordnung gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterleistungen, die Turbinenwirkungsgrade oder die Verdichterwirkungsgrade mit Hilfe einer in einem Bypass (10, 10', 10'', 10''') zumindest einer Turbine und/oder eines Verdichters (3) angebrachten Absperrvorrichtung (11, 11', 11'', 11''') veränderbar sind.Arrangement according to claim 1, characterized in that the compressor outputs, the turbine efficiencies or the compressor efficiencies by means of a bypass ( 10 . 10 ' . 10 '' . 10 ''' ) at least one turbine and / or a compressor ( 3 ) mounted shut-off device ( 11 . 11 ' . 11 '' . 11 ''' ) are changeable. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterleistungen oder die Turbinenwirkungsgrade mit Hilfe einer variablen Turbinengeometrie (12, 12') durch Verstellung der Anströmung der Turbinenschaufeln veränderbar sind.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the compressor outputs or the turbine efficiencies using a variable turbine geometry ( 12 . 12 ' ) are variable by adjusting the flow of the turbine blades. Anordnung nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine verstellbare Drosselvorrichtung (13) strömungstechnisch vor, zwischen oder nach den mindestens zwei Abgas-Turbinen (3, 6) angebracht ist.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that an adjustable throttle device ( 13 ) in terms of flow, between or after the at least two exhaust gas turbines ( 3 . 6 ) is attached. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der Drosselvorrichtung (13) im Motorbremsbetrieb der Abgasgegendruck angehoben wird, um die Motorbremsleistung zu erhöhen.Arrangement according to claim 4, characterized in that by means of the throttle device ( 13 ) is raised in engine braking operation, the exhaust back pressure to increase the engine braking power. Anordnung nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Katalysator zusätzlich einen NO-Oxidations- und/oder einen NH3-Oxidations- und/oder einen Kohlenwasserstoffoxidations- und/oder einen Kohlenmonoxidoxidations- und/oder einen Harnstoffzersetzungs- und/oder einen Hydrolyse- und/oder einen NOx-Speicherkatalysatoren umfasst.Arrangement according to one of claims, characterized in that the at least one catalyst additionally a NO oxidation and / or a NH 3 oxidation and / or a Kohlenwasserstoffoxidations- and / or a Kohlenmonoxidoxidations- and / or a urea decomposition and / or a hydrolysis and / or a NOx storage catalytic converter comprises. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den zwei Abgasturbinen zusätzlich ein Partikelfilter oder ein Partikelabscheider angeordnet ist.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that between the two exhaust gas turbines additionally a particle filter or a particle separator is arranged. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter oder der Partikelabscheider aus Cordierit, Siliziumcarbid, Keramikfasern, Silikatfasern, Metallfolien und/oder Sintermetall hergestellt sind.Arrangement according to claim 7, characterized in that the particle filter or particle separator made of cordierite, silicon carbide, ceramic fibers, silicate fibers, metal foils and / or sintered metal are made. Anordnung nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Katalysator, Partikelfilter und/oder Partikelabscheider in mindestens ein Gehäuse eingebaut ist und dieses Gehäuse als Abgasschalldämpfer ausgelegt ist.Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that at least one catalyst, particulate filter and / or Partikelabscheider is installed in at least one housing and this housing is designed as an exhaust muffler. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Schalldämpfung Ausgleichsvolumina und/oder Dämm-Matten und/oder perforierte Zwischenbleche und/oder perforierte Rohre vorgesehen sind.Arrangement according to claim 9, characterized in that for sound damping compensation volumes and / or insulating mats and / or perforated intermediate plates and / or perforated pipes are provided. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Kontrolleinheit ferner dazu ausgebildet ist, die Betriebsparameter des Abgasnachbehandlungssystems über Sensoren und/oder Tabellen oder Kurven, die in der elektronischen Kontrolleinheit hinterlegt sind, zu bestimmen, mit den aktuellen Ist-Werten zu vergleichen und diese durch Ansteuerung der Einstell-Vorrichtung den Soll-Werten anzugleichen. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the electronic control unit is further adapted to determine the operating parameters of the exhaust aftertreatment system via sensors and / or tables or curves, which are stored in the electronic control unit, with the current actual values compare and adjust these by controlling the setting device to the desired values. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Kontrolleinheit ferner dazu ausgebildet ist, die Soll-Werte der Betriebsparameter des Abgasnachbehandlungssystems mit Hilfe von Tabellen oder Kurven und/oder Sensoren zu bestimmen, wobei die Rohemissionen und/oder die Sollemissionen und/oder die tatsächlichen Emissionen nach dem Abgasnachbehandlungssystem und/oder die Abgasmasse und/oder die Luftmasse und/oder das Kraftstoff-/Luft-Verhältnis und/oder der Ladedruck und/oder der Atmosphäredruck und/oder die Abgasrückführungsrate und/oder der Abgasgegendruck und/oder die Betriebszeit der Brennkraftmaschine und/oder des Abgasnachbehandlungssystems zur Bestimmung der Soll-Werte der Betriebsparameter herangezogen werden.Arrangement according to claim 11, characterized in that the electronic control unit is further adapted to determine the desired values of the operating parameters of the exhaust aftertreatment system by means of tables or curves and / or sensors, the raw emissions and / or the target emissions and / or actual emissions after the exhaust aftertreatment system and / or the exhaust mass and / or the air mass and / or the air / fuel ratio and / or the boost pressure and / or the atmospheric pressure and / or the exhaust gas recirculation rate and / or the exhaust backpressure and / or the operating time the internal combustion engine and / or the exhaust aftertreatment system are used for determining the desired values of the operating parameters. Anordnung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Kontrolleinheit ferner dazu ausgebildet ist, die Abgastemperatur durch Veränderung der Verdichterleistungen, der Turbinenwirkungsgrade oder der Verdichterwirkungsgrade kurzzeitig anzuheben, um das Abgasnachbehandlungssystem zu desulfatisieren und/oder bei Verwendung eines Partikelfilters diesen zu regenerieren.Arrangement according to one of claims 11 or 12, characterized in that the electronic control unit is further adapted to increase the exhaust gas temperature by changing the compressor powers, the turbine efficiencies or the compressor efficiencies briefly to desulfurize the exhaust aftertreatment system and / or when using a particulate filter to regenerate.
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