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Die
Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Abgasnachbehandlungsverfahren
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 14.
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Aus
der
WO 2006/023091 ist
ein Abgasnachbehandlungssystem einer Brennkraftmaschine bekannt,
welches einen als Oxidationskatalysator ausgeführten Vorkatalysator,
einen dem Vorkatalysator in Abgasströmungsrichtung nachgeschalteten
und als Oxidationskatalysator ausgeführten Hauptkatalysator
und einen dem Hauptkatalysator in Abgasströmungsrichtung
nachgeschalteten Partikelfilter aufweist. Es ist ferner ein Kraftstoffinjektor
vorgesehen, der Kraftstoff stromaufwärts vom Vorkatalysator
in von der Brennkraftmaschine ausgestoßenes Abgas abgeben
kann. Das Abgasnachbehandlungssystem ist insbesondere dafür
geeignet, die für eine thermische Partikelfilterregeneration
erforderlichen hohen Abgastemperaturen zu erzeugen. Dies erfolgt
durch Verbrennung bzw. Oxidation von durch den Kraftstoffinjektor
ins Abgas abgegebene Abgas am Vor- bzw. Hauptkatalysator.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein möglichst kostengünstiges
Abgasnachbehandlungssystem anzugeben, welches eine weiter verbesserte
thermische Partikelfilterregeneration ermöglicht. Ferner
ist es Aufgabe der Erfindung, ein zuverlässiges und einfaches
Betriebsverfahren für ein entsprechendes Abgasnachbehandlungssystem
anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Abgasnachbehandlungssystem mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
14 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem zeichnet
sich aus durch einen Vorkatalysator, der eine höhere volumenbezogene
Edelmetallbeladung als der Hauptkatalysator aufweist. Durch eine
vergleichsweise hohe Edelmetallbeladung des Vorkatalysators wird
eine niedrige Anspringtemperatur des Vorkatalysators in Bezug auf eine
katalytisch unterstützte Oxidation von typischerweise durch
den Kraftstoffinjektor ins Abgas eingebrachte oxidierbare Komponenten
erreicht. Dadurch kann auch unter ungünstigen Bedingungen,
wie beispielsweise im Leerlauf der Brennkraftmaschine mit niedrigen
Abgastemperaturen eine Aufheizung des Abgases durch den Vorkatalysator
erfolgen und der nachgeschaltete Hauptkatalysator in den Temperaturbereich
seiner katalytischen Aktivität gebracht bzw. dort gehalten
werden. Somit ist auch unter ungünstigen Bedingungen eine
Partikelfilterregeneration zuverlässig ermöglicht.
Infolge der vergleichsweise niedrigen Edelmetallbeladung des Hauptkatalysators
ist dieser einerseits besonders kostengünstig, andererseits
weist er eine verbesserte thermische Stabilität auf. Dies
ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Hauptkatalysator wie
vorzugsweise vorgesehen, für eine Freisetzung einer gegenüber
dem Vorkatalysator vergrößerten Wärmemenge
vorgesehen ist.
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Typischerweise
sind sowohl der Vorkatalysator als auch der Hauptkatalysator als
so genannte Trägerkatalysatoren mit einem mechanischen
Träger ausgeführt. Der mechanische Träger
weist eine die geometrische Oberfläche vergrößernde,
so genannte washcoat-Beschichtung auf. Diese enthält katalytisch
wirksame Edelmetallbestandteile, welche beispielsweise durch Tränkverfahren
aufgebracht sind. Diese Edelmetallbeladung wird üblicherweise
auf das Einbauvolumen bezogen und in g/ft3 (grams
per cubicfoot)angegeben.
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Vorzugsweise
liegt die Edelmetallbeladung des Vorkatalysators im Bereich von
40 g/ft3 bis 120 g/ft3.
Besonders bevorzugt ist eine Edelmetallbeladung zwischen 50 g/ft3 bis 90 g/ft3. Vorzugsweise
sind sowohl Platin (Pt) als auch Palladium (Pd) als Edelmetallkomponenten
vorgesehen. Zusätze von Rhodium können ebenfalls
vorgesehen sein. Dabei kann ein Pt/Pd-Verhältnis von 0,1
bis 10 vorgesehen sein. Bevorzugt ist ein vergleichsweise hoher
Pt-Anteil von wenigstens 50%, insbesondere von wenigstens 75%. Vorteilhaft
kann auch der Einsatz einer so genannten Platin-only-Beschichtung
sein.
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Demgegenüber
ist erfindungsgemäß für den Hauptkatalysator
eine geringere Edelmetallbeladung vorgesehen, welche typischerweise
im Bereich von 10 g/ft3 bis 70 g/ft3 liegt. Besonders bevorzugt ist eine Edelmetallbeladung
zwischen 20 g/ft3 bis 50 g/ft3.
Die Art der Edelmetallbeladung ist vorzugsweise analog oder ähnlich
zu der des Vorkatalysators gewählt.
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Als
Partikelfilter kann jedes zur Zurückhaltung von Partikeln
geeignete Abgasreinigungsbauteil eingesetzt werden. Bevorzugt sind
jedoch Sintermetall-Filter oder so genannte wallflow-Filter, aufgebaut aus
Kordierit-, Siliziumkarbid- oder Aluminiumtitanat-Keramik, mit einer
Vielzahl von langgestreckten Gaskanälen. Hinsichtlich der
Speicherfähigkeit für Ruß und Asche sind
insbesondere Sintermetallfilter mit Sintermetalltaschen oder Sintermetallplatten
vorteilhaft. Ebenfalls möglich sind jedoch schaumartig ausgeführte
Tiefenfilter oder so genannte offene Filterkörper mit einer
Vielzahl von Gasumlen kungsstellen. Besonders bevorzugt sind katalytisch
beschichtete Partikelfilter. Dabei kann die katalytische Beschichtung
beispielsweise hinsichtlich der Förderung einer Rußoxidation
und/oder einer Stickoxidoxidation ausgelegt sein. Hier kommt insbesondere
eine Beschichtung mit Stickoxid-Speichereigenschaften oder eine
SCR-Katalysatorbeschichtung in Betracht. Auf diese Weise kann der
Partikelfilter eine Stickoxidverminderungsfunktion übernehmen,
wodurch gegebenenfalls auf einen nachgeschalteten Stickoxidverminderungskatalysator
verzichtet werden kann. Die Beschichtungen können in zwei
oder mehreren Schichtlagen auf Kontaktoberflächen des Partikelfilters
oder in Abgasströmungsrichtung hintereinander aufgebracht
sein. Es kann eine Beschichtung auf den gaseinlassseitigen und/oder
auf den gasauslassseitigen Kontaktflächen vorgesehen sein,
wobei es vorteilhaft ist, die Beschichtung lediglich auf Teilbereichen,
insbesondere lediglich endseitig vorzusehen.
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Der
Kraftstoffinjektor kann zum Einbringen eines gasförmigen
Brennstoffs, wie beispielsweise eines verdampften oder mittels eines
externen Reformers entsprechend aufbereiteten flüssigen
Kraftstoffs ausgelegt sein. Bevorzugt ist jedoch ein Injektor, der
zum Einspritzen von flüssigem Kraftstoff, insbesondere
von dem von der typischerweise als Dieselmotor ausgelegten Brennkraftmaschine
selbst verwendeten Dieselkraftstoff geeignet ist.
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Das
erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem ist
hauptsächlich für überwiegend mager betriebene
Verbrennungsmotoren, insbesondere für Dieselmotoren vorteilhaft.
Das Abgasnachbehandlungssystem ist bevorzugt einflutig ausgeführt. Vorkatalysator,
Hauptkatalysator und Partikelfilter sind somit in einem unverzweigt
ausgeführten Abgasstrang angeordnet, was einen geringen
Bauteilaufwand und einen einfachen Betrieb des Abgasnachbehandlungssystems
erlaubt. Mit der einflutigen Ausführung des Abgasstrangs
ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass innerhalb eines Gehäuses
für eine der genannten Komponenten zwei oder mehrere gleichartige
Bauteile strömungsmäßig parallel angeordnet
sind und von Abgas gleicher Zusammensetzung durchströmt
werden.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausführung kann
einerseits mittels des Vorkatalysators und des Hauptkatalysators
eine optimale NO-Oxidation erreicht werden. Dadurch ist in weiten
Betriebsbereichen eine kontinuierliche Rußregeneration
des Partikelfilters bei niedrigen Temperaturen unter 400°C
ermöglicht. Andererseits ist durch Zufuhr von Kraftstoff stromauf
des Vorkatalysators eine effektive zweistufige Temperaturerhöhung
des Abgases durch exotherme Oxidation des Kraftstoffs am Vorkatalysator
und am Hauptkatalysator ermöglicht. Der Partikelfilter kann
auch unter ungünstigen Bedingungen bei Bedarf zuverlässig
auf eine zur thermischen Regeneration durch Rußabbrand
erforderliche Temperatur von 550°C oder mehr aufgeheizt
und auf diesem Temperaturniveau gehalten werden. Infolge der durch
den Vorkatalysator und den Hauptkatalysator bewirkten zweistufigen
Kraftstoffoxidation ist die lokale Dichte der Temperaturbelastung
beider Bauteile vermindert und die insgesamt eingesetzte Edelmetallmenge
verringert.
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Das
erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem kann
weitere, insbesondere katalytische Abgasreinigungskomponenten aufweisen.
Vorteilhaft ist ein dem Partikelfilter nachgeschalteter Oxidationskatalysator.
Dadurch ist eine Oxidation von reduzierenden Abgasbestandteilen
ermöglicht, welche bei einer thermischen Partikelfilterregeneration im
Abgas verbleiben können, (Kraftstoffschlupf). Es kann ferner
ein Stickoxidreduktionskatalysator dem Partikelfilter vor- oder
nachgeschaltet sein. Dadurch ist neben der Entfernung von Partikeln
zusätzlich eine Entfernung des Schadstoffs Stickoxid ermöglicht.
Dabei kann der Stickoxidreduktionskatalysator als so genannter Denox-Katalysator
ausgebildet sein, der unter Verwendung eines kohlenwasserstoff- oder
wasserstoffhaltigen Reduktionsmittels Stickoxide bei oxidierenden
Bedingungen reduzieren kann. Bevorzugt ist jedoch eine Ausführung
als so genannter SCR-Katalysator, der Stickoxide bei oxidierenden Bedingungen
mit Ammoniak oder einem anderen stickstoffhaltigen Reduktionsmittel
reduzieren kann.
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In
Ausgestaltung der Erfindung sind der Vorkatalysator und der Hauptkatalysator
als Wabenkörper ausgeführt, wobei der Hauptkatalysator
eine wenigstens doppelt so große Zelldichte wie der Vorkatalysator
und ein den Vorkatalysator um ein Mehrfaches übertreffendes
Volumen aufweist. Die Wabenkörper weisen eine Vielzahl
von parallelen Gaskanälen auf, welche durch ein mit katalytischer
Beschichtung versehenes Trägermaterial des Wabenkörpers voneinander
getrennt sind. Die auf die Querschnittsfläche bezogene
Anzahl der Gaskanäle wird dabei als Zelldichte bezeichnet,
welche üblicherweise in cpsi (cells per squareinch) angegeben
ist.
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Durch
die erfindungsgemäße Auslegung der Zelldichten
wird ein besonders vorteilhaftes Gegendruckverhalten erreicht. Durch
den erzielten niedrigen Gegendruck ist ein Brennkraftmaschinenbetrieb mit
verbessertem Wirkungsgrad ermöglicht. Bevorzugt ist eine
Zelldichte des Vorkatalysators von weniger als 100 cpsi. Besonders
bevorzugt ist eine Zelldichte von etwa 50 cpsi. Durch die Wahl eines
Verhältnisses von Länge zu Durchmesser (L/D-Verhältnis)
von weniger als 1,0 lässt sich eine besonders unkritische
und gleichmäßige Temperaturverteilung bei thermischen
Regenerationen sowie ein besonders günstiges Gegendruckverhalten
erzielen. Für ein optimiertes Gegendruckverhalten des Hauptkatalysators
wird vorzugsweise eine Zelldichte 300 cpsi bis 400 cpsi und ein
L/D-Verhältnis im Bereich von 1,5 bis 2,25 gewählt.
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Die
erfindungsgemäße Volumenauslegung ermöglicht
es, dass am Vorkatalysator lediglich ein Teilumsatz des vom Kraftstoffinjektor
abgegebenen Kraftstoffs erfolgt. Dadurch wird dessen Temperaturbelastung
vermindert und die Alterungsstabilität erhöht.
Bevorzugt ist eine Auslegung des Volumenverhältnisses von
Vorkatalysator und Hauptkatalysator derart, dass weniger als 50%,
vorzugsweise etwa 20% des Kraftstoffs am Vorkatalysator umgesetzt werden.
Besonders vorteilhaft ist ein Volumenverhältnis von Hauptkatalysator
und Vorkatalysator im Bereich von 15 bis 20. Dabei ist es besonders
vorteilhaft, wenn die Volumina von Vorkatalysator und Hauptkatalysator
an den Hubraum der als Hubkolbenmaschine ausgeführten Brennkraftmaschine
angepasst sind. Besonders vorteilhaft in Bezug auf einen angestrebten
Kraftstoffteilumsatz ist eine Auslegung des Vorkatalysators derart,
dass unter Leerlaufbedingungen der Brennkraftmaschine eine Raumgeschwindigkeit
von etwa 230000 1/h resultiert. Dabei ist unter der Raumgeschwindigkeit
wie üblich ein auf das Katalysatorvolumen und auf Normbedingungen bezogener
Abgasdurchsatz zu verstehen.
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Hierfür
weist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Vorkatalysator
ein Volumen auf, das weniger als 10% des Brennkraftmaschinenhubraums beträgt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Hauptkatalysator
ein Volumen auf, das größer als das Brennkraftmaschinenhubvolumen
ist.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Vorkatalysator eine
um wenigstens 50°C niedrigere Anspringtemperatur bezüglich
einer Oxidation von vom Kraftstoffinjektor abgegebenen Kraftstoff
auf als der Hauptkatalysator. Vorzugsweise ist der Vorkatalysator
so ausgelegt, dass er eine Anspringtemperatur von 200°C
oder weniger aufweist. Auf diese Weise ist einerseits eine katalytische
Aktivität des Vorkatalysators und damit eine thermische Partikelfilterregeneration
auch bei Niedriglast bzw. Leerlauf der Brennkraftmaschine ermöglicht.
Andererseits ist mit der von vornherein höher gewählten Anspringtemperatur
des Hauptkatalysators eine Gefahr von dessen alterungsbedingter
Erhöhung vermindert. Vorteilhaft ist es jedoch, den Hauptkatalysator
derart auszulegen, dass er eine Anspringtemperatur von nicht höher
als etwa 265°C aufweist.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der Abgabestelle
von Kraftstoff durch den Kraftstoffinjektor und einem abgaseintrittseitigen Ende
des Vorkatalysators für strömendes Abgas der Brennkraftmaschine
eine um ein Mehrfaches größere Laufzeit vorgesehen
ist als zwischen einem abgasaustrittseitigen Ende des Vorkatalysators
und einem abgaseintrittseitigen Ende des Hauptkatalysators. Der
Kraftstoffinjektor ist damit vergleichsweise weit entfernt vom Abgaseintritt
des Vorkatalysators angeordnet, wohingegen Vorkatalysator und Hauptkatalysator
mit geringem Abstand zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise
ist einerseits eine gute bzw. annähernd vollständige
Verdampfung von in flüssigem Zustand ins Abgas eingebrachtem
Kraftstoff ermöglicht, andererseits sind die Wärmeverluste
auf dem Weg zwischen Vorkatalysator und Hauptkatalysator gering.
Durch eine annähernd vollständige Verdampfung
des Kraftstoffs längs des Abgaswegs zum Vorkatalysator
wird vermieden, dass auf diesen Kraftstofftröpfchen auftreffen
und durch punktuell konzentrierte Oxidation so genannte hot spots
auftreten, welche zu einer verstärkten Alterung oder Beschädigung
des Vorkatalysators führen können. Vorteilhaft ist
eine brennkraftmaschinennahe Anordnung des Kraftstoffinjektors,
insbesondere mit geringem Abstand vor oder hinter einer Turbine
eines Abgasturboladers.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung
der Abstand zwischen Kraftstoffinjektor und Vorkatalysator so gewählt
ist, dass die Laufzeit für strömendes Abgas zwischen
der Abgabestelle von Kraftstoff durch den Kraftstoffinjektor und
dem abgaseintrittseitigen Ende des Vorkatalysators unter Leerlaufbedingungen
der Brennkraftmaschine zwischen 0,1 Sekunden und 0,3 Sekunden beträgt.
Durch diese Auslegung ist selbst unter Leerlaufbedingungen eine
annähernd vollständige Verdampfung von abgegebenem
Kraftstoff längs des Abgaswegs zum Vorkatalysator sichergestellt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Vorkatalysator als
Metallfolienkatalysator ausgebildet. Diese Ausführung hat
sich als besonders vorteilhaft in Bezug auf Temperaturbelastungen
erwiesen.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Hauptkatalysator als
Keramikkatalysator ausgebildet. Gegenüber andersartigen
Ausführungen ergibt sich bei einem typischerweise großvolumigen Hauptkatalysator
mit mehreren Litern Einbauvolumen ein Kostenvorteil. Bevorzugt ist
eine Ausführung mit einem Cordieritträger.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Vorkatalysator formschlüssig
und/oder materialschlüssig in einem Vorrohr für
ein Gehäuse des Hauptkatalysators angeordnet. Dadurch entfallen aufwändige
Mattenlagerungen und der Bauraum wird optimal genutzt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind der Hauptkatalysator und
der Partikelfilter in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet,
wobei das Gehäuse im Bereich des Hauptkatalysators und/oder
im Bereich des Partikelfilters zumindest abschnittsweise doppelwandig
ausgeführt ist. Dadurch werden Wärmeverluste minimiert.
Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn Hauptkatalysator und Partikelfilter
mit geringem Abstand von vorzugsweise weniger als 500 mm zueinander
angeordnet sind.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind der Hauptkatalysator und
der Partikelfilter in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet,
wobei das Gehäuse im Bereich zwischen dem Hauptkatalysator und
dem Partikelfilter eine Trennung in Form einer lösbaren
Verbindung aufweist. Dies verbessert die Montierbarkeit und verringert
die Fertigungs- und Wartungskosten. Zudem sind Betriebskosten und Betriebszuverlässigkeit
verbessert.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Mittel zur Strömungsvergleichmäßigung
zwischen dem Vorkatalysator und dem Hauptkatalysator vorgesehen.
Vorzugsweise kommt ein Mischer zum Einsatz. Dadurch wird die Querschnittsfläche
des Hauptkatalysators gleichmäßig mit Abgas beaufschlagt,
wodurch dieser optimal ausgenutzt wird. Zudem können sensorische
Messungen von Temperatur und Abgaszusammensetzung repräsentativ durchgeführt
werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines
Abgasnachbehandlungssystems der vorstehend beschriebenen Art ist
dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftstoffinjektor im Zusammenhang
mit einer thermischen Regeneration des Partikelfilters unter vorgegebenen
Bedingungen in Betrieb gesetzt wird, wobei die Bedingungen umfassen,
dass eine Hauptkatalysator-Eintrittstemperatur von in den Hauptkatalysator
eintretendem Abgas einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.
Für eine Partikelfilterregeneration wird die Abgastemperatur
bzw. die Partikelfiltertemperatur über eine für
einen Rußabbrand notwendige Temperatur gebracht, was durch
Abgabe von Kraft stoff durch den Kraftstoffinjektor und Oxidation
des eingebrachten Kraftstoffs am Vorkatalysator und am Hauptkatalysator
bewirkt wird. Eine Partikelfilterregeneration ist jedoch nicht in jedem
Betriebszustand des Abgasnachbehandlungssystems bzw. der Brennkraftmaschine
möglich bzw. erwünscht. Aus diesem Grund sind
vorbestimmte Bedingungen vorgesehen, welche für eine Initiierung der
Partikelfilterregeneration erfüllt sein müssen
und in regelmäßigen Abständen oder laufend
abgefragt werden. Zu diesen Bedingungen gehört erfindungsgemäß das
Vorliegen eines vorbestimmten Schwellenwerts für die Temperatur
des in den Hauptkatalysator eintretenden Abgases. Diese Hauptkatalysator-Eintrittstemperatur
wird bevorzugt mittels eines in kurzem Abstand vor dem eintrittsseitigen
Ende des Hauptkatalysators angeordneten Temperaturfühlers erfasst.
Vorzugsweise wird ein Temperaturschwellenwert gewählt,
welcher der Anspringtemperatur des Hauptkatalysators entspricht
oder geringfügig darüber liegt. Dadurch ist sichergestellt,
dass ins Abgas abgegebener Kraftstoff vom Hauptkatalysator umgesetzt
werden kann und somit eine Abgasaufheizung ermöglicht ist.
Typischerweise beträgt der Schwellenwert etwa 265°C.
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Wird
der Temperaturschwellenwert überschritten, so wird ein
Freigabesignal für den Kraftstoffinjektor erzeugt. Der
Kraftstoffinjektor kann dann zur Abgabe von Kraftstoff in Betrieb
gesetzt werden. Liegt das Freigabesignal nicht vor, so bleibt der
Kraftstoffinjektor außer Betrieb bzw. wird außer
Betrieb gesetzt.
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Vorzugsweise
sind zusätzlich zum Überschreiten des Temperaturschwellenwerts
für die Hauptkatalysator-Eintrittstemperatur weitere Bedingungen
vorgesehen, welche ebenfalls für eine Inbetriebnahme des
Kraftstoffinjektors erfüllt sein müssen. Insbesondere
ist vorgesehen, dass die vorgegebenen Bedingungen ferner umfassen,
dass eine Hauptkatalysator-Austrittstemperatur von aus dem Hauptkatalysator
austretendem Abgas höher ist, als die um einen vorbestimmten
Betrag verminderte Hauptkatalysator-Eintrittstemperatur. Auf diese
Weise ist sichergestellt, dass der Kraftstoffinjektor nur dann in
Betrieb gesetzt wird, wenn der Hauptkatalysator ausreichend durchgewärmt
ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass eine Freigabe für
den den Kraftstoffinjektor nur dann erfolgt, wenn die Hauptkatalysator-Austrittstemperatur
höher ist, als die um etwa 20°C bis 40°C
verminderte Hauptkatalysator-Eintrittstemperatur.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird eine zulässige
Höchsttemperatur von 650°C im Vorkatalysator unterschritten.
Dies ist dahingehend zu verstehen, dass der Vorkatalysator stets
unterhalb der zulässigen Höchsttemperatur gehalten
wird. Dadurch wird eine Temperaturschädigung vermieden und
der Vorkatalysator wird alterungsstabil betrieben. Es wird insbesondere
ein alterungsbedingtes Ansteigen seiner Anspringtemperatur vermieden
und eine hohe Lebensdauer erreicht. Für ein besonders alterungsstabiles
Verhalten des Vorkatalysators kann auch eine zulässige
Höchsttemperatur von 600°C oder lediglich 550°C
vorgesehen sein. Erreicht wird dies insbesondere durch eine optimal
aufeinander abgestimmte Auslegung von Volumen, L/D-Verhältnis,
Zelldichte und Edelmetallbeladung des Vorkatalysators. Durch eine
aufeinander abgestimmte Auslegung des Vorkatalysators kann dessen
Umsatzvermögen in Bezug auf den eingesetzten Kraftstoff
und damit seine Wärmebelastung begrenzt werden. Die Auslegung
erfolgt vorzugsweise derart, dass eine spezifische, d. h. auf ein
Katalysatorvolumen von einem Liter bezogene Wärmefreisetzung
von 200 MJ je Stunde zuverlässig unterschritten wird.
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Mit
Blick auf eine begrenzte Wärme- bzw. Temperaturbelastung
des Vorkatalysators ist es besonders vorteilhaft, wenn in weiterer
Ausgestaltung der Erfindung zumindest in einer Aufheizphase zur Aufheizung
des Partikelfilters auf eine Regenerationstemperatur weniger als
50% des vom Kraftstoffinjektor abgegebenen und durch den Vorkatalysator strömenden
Kraftstoffs am Vorkatalysator umgesetzt wird.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen
veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Dabei sind die
vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden
Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination,
sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Dabei
zeigt die einzige Figur eine vorteilhafte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems.
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Die
in der Figur dargestellte bevorzugte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 1 umfasst
hintereinander in Abgasströmungsrichtung 2 angeordnet
einen Kraftstoffinjektor 7, einen als Oxidationskatalysator
ausgeführten Vorkatalysator 3, einen als Oxidationskatalysator
ausgeführten Hauptkatalysator 4 sowie einen Partikelfilter 5.
Dabei sind einem abgaseintrittseitigen Ende des Vorkatalysators 3 bzw.
des Hauptkatalysators 4 die Bezugszeichen 3a bzw. 4a zugeordnet. Analog
bezeichnen die Bezugszeichen 3b bzw. 4b ein abgasaustrittseitiges
Ende des Vorkatalysators 3 bzw. des Hauptkatalysators 4.
Mit geringem Abstand zu den Enden 4a, 4b sind
Temperaturfühler 10, 11 in das Gehäuse 9 geführt,
mit welchen die Temperaturen von in den Hauptkatalysator 4 eintretendem
bzw. aus diesem austretenden Abgas erfasst werden können.
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Das
Abgasnachbehandlungssystem 1 ist über eine Abgasleitung 6 an
eine vorzugsweise als Dieselmotor in Hubkolbenbauweise ausgeführte Brennkraftmaschine
angeschlossen (nicht dargestellt). Falls ein Abgasturbolader vorgesehen
ist, ist ein Anschluss an einen Auslass der Abgasturboladerturbine
bevorzugt. Charakteristischerweise sind die genannten Abgasnachbehandlungseinheiten 7, 3, 4, 5 in
einem einflutigen, d. h. unverzweigt ausgebildeten Abgasstrang angeordnet.
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Der
Hauptkatalysator 4 ist mit geringem Abstand zum Partikelfilter 5 mit
diesem zusammen in einem gemeinsamen Gehäuse 9 untergebracht.
Dabei ist es bevorzugt, wenn das Gehäuse 9 zweiteilig
mit einer nicht dargestellten lösbaren Verbindung im Bereich
zwischen dem Hauptkatalysator 4 und dem Partikelfilter 5 ausgeführt
ist. Weiterhin ist vorzugsweise vorgesehen, das Gehäuse 9 zumindest
abschnittsweise im Bereich des Hauptkatalysators 4 und/oder im
Bereich des Partikelfilters 5 doppelwandig, d. h. luftspaltisoliert
auszuführen. Zur weiteren Verbesserung der thermischen
Isolierung ist für den Hauptkatalysator 4 und
den Partikelfilter 5 vorzugsweise jeweils eine umhüllende
Isolier- und Lagermatte vorgesehen, was im Einzelnen ebenfalls nicht
dargestellt ist.
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Im
Einlaufbereich des Gehäuses 9 ist ein Mischelement 12 zur
Vergleichmäßigung der Abgasströmung angeordnet.
Damit ist gewährleistet, dass die über ein Vorrohr 8 in
das Gehäuse 9 eintretende Abgasströmung
sich im Wesentlichen gleichmäßig auf den Querschnitt
des Hauptkatalysators 4 verteilt. Das Mischelement ist
vorzugsweise im Einlauftrichter des Gehäuses 9 angeordnet,
es kann jedoch auch in einem Vorraum zwischen dem Einlauftrichterende und
dem abgaseintrittsseitigen Ende des Hauptkatalysators 4 angeordnet
sein.
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Im
Vorrohr 8 ist der Vorkatalysator 3 formschlüssig,
d. h. ringsum an der Innenwand des Vorrohrs 8 anliegend
angeordnet. Der Vorkatalysator 3 ist vorzugsweise als beschichteter
Trägerkatalysator ausgebildet. Dabei ist eine Ausführung
als Metallfolienkatalysator bevorzugt. Dies ermöglicht
in vorteilhafter Weise eine zumindest abschnittsweise kraft- und
materialschlüssige Verbindung zwischen Vorrohr 8 und
Vorkatalysator 3, beispielsweise in Form einer Löt-
oder Schweißverbindung. Eine Anordnung mit geringem Abstand
zum Hauptkatalysator 4 ist dabei bevorzugt. Vorzugsweise
beträgt der Abstand zwischen dem abgasaustrittseitigen
Ende 3b des Vorkatalysators 3 und dem abgaseintrittseitigen
Ende 4a des Hauptkatalysators 4 weniger als 200
mm. Bevorzugt ist ein Abstand von etwa 100 mm. Eine besonders Platz
sparende Anordnung ergibt sich, wenn der Vorkatalysator 3 bis
in den Einlauftrichter des Gehäuses 9 hineinragt.
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Der
Vorkatalysator 3 ist vorzugsweise relativ klein mit einem
Volumen von weniger als 10% des Hubvolumens der angeschlossenen
Brennkraftmaschine ausgeführt und weist bei einem LID-Verhältnis von
weniger als 1,0 eine niedrige Zelldichte von vorzugsweise etwa 50
cpsi auf. Daraus resultiert unter Leerlaufbedingungen der Brennkraftmaschine
eine hohe Raumgeschwindigkeit von etwa 230000 1/h, was wiederum
zur Folge hat, dass vom Kraftstoffinjektor 7 ins Abgas
abgegebener Kraftstoff zu höchstens 50%, oberhalb des Leerlaufbereichs
jedoch typischerweise zu einem deutlich geringeren Anteil, vorzugsweise
etwa 20% umgesetzt wird. Diese Auslegung ermöglicht eine
Begrenzung der Maximaltemperatur im Vorkatalysator 3 und
des durch diesen verursachten Abgasgegendrucks. Typischerweise ist
die Maximaltemperatur im Vorkatalysator 3 auf etwa 550°C
begrenzt. Bei einem Abgasdurchsatz von etwa 1200 kg/h und einer
Abgastemperatur von etwa 400°C bleibt der Gegendruck typischerweise
unterhalb von 30 mbar.
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Die
Beschichtung des Vorkatalysators ist derart ausgelegt, dass ein
Umsatz von gasförmigem Dieselkraftstoff unter typischen
dieselmotorischen Abgasbedingungen bereits bei etwa 200°C
in merklichem Umfang erfolgt (Anspringtemperatur). Ein washcoat
mit einem Platin-Palladium-Gehalt von etwa 90 g/ft3 bezogen
auf das Katalysatorvolumen und einem Pt/Pd-Verhältnis von
10:1 hat sich hierfür als besonders geeignet erwiesen.
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Der
Hauptkatalysator 4 ist hingegen in erster Linie für
einen vollständigen Umsatz von zugeführtem Kraftstoff
und für eine Stickoxidoxidations-Aktivität ausgelegt.
Daraus resultiert einerseits ein niedriger Kohlenwasserstoff-Schlupf
bei einer thermischen Partikelfilterregeneration. Andererseits wird
unter normalen Betriebsbedingungen eine hohe NO2-Erzeugungsrate
und somit eine hohe kontinuierliche Ruß-Abbaurate im nachgeschalteten
Partikelfilter 5 erzielt. Eine Auslegung für hohe
Alterungs- und Temperaturstabilität ist für den
Hauptkatalysator 4 ebenfalls bevorzugt. Eine hinsichtlich
der genannten Kriterien optimierte Ausführung sieht ein
L/D-Verhältnis von etwa 1,5 bis 2,25, eine Zelldichte von
300 cpsi bis 400 cpsi sowie einem Volumen, welches etwa dem 1,1-
bis 2,2-fachen des Hubvolumens der angeschlossenen Brennkraftmaschine
beträgt, vor. Dabei ist eine Beschichtung analog zur Beschichtung
des Vorkatalysators, allerdings mit einer verminderten Edelmetallbeladung
vorgesehen. Ein washcoat mit einem Edelmetall-Gehalt von etwa 40
g/ft3 bezogen auf das Katalysatorvolumen
und einem Pt/Pd-Verhältnis von 10:1 hat sich als besonders
vorteilhaft erwiesen. Dadurch wird eine erhebliche Einsparung von
Edelmetall erzielt, was entsprechende Kostenvorteile mit sich bringt.
Eine dadurch auf etwa 250°C erhöhte Anspringtemperatur
in Bezug auf Kohlenwasserstoffe bzw. Kraftstoff bedeutet dabei keinen Nachteil,
da eine Vorwärmung durch den Vorkatalysator 4 erfolgen
kann.
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Als
Partikelfilter 5 kommt vorzugsweise ein so genannter wall-flow-Filter
aus SiC-, Cordierit- oder Aluminiumtitanat-Basis zum Einsatz, der
mit einer vorzugsweise edelmetallhaltigen katalytischen Beschichtung
versehen sein kann. Für eine hohe Aufnahmefähigkeit
von Ruß- und Aschepartikeln ist ein möglichst
großes Volumen von etwa dem 1,5-fachen des Motorenhubraums
vorteilhaft. Da die vorgeschalteten Oxidationskatalysatoren 3, 4 bereits
einen gewissen Staudruck bewirken, ist eine hinsichtlich des Abgasgegendrucks
optimierte Auslegung des Partikelfilters 5 bevorzugt. Porosität
und Größe werden vorzugsweise so festgelegt, dass
bei einer Rußbeladung von etwa 5 g/l im überwiegenden
Betriebsbereich des Verbrennungsmotors ein Gegendruck von etwa 100
mbar unterschritten wird. Dabei ist eine runde Bauform mit einem
Verhältnis von Länge zu Durchmesser (L/D-Verhältnis)
im Bereich von 0,8 bis 2,0 bevorzugt. Mit einem L/D-Verhältnis
von 1,0 bis 1,3 lässt sich eine besonders unkritische und
gleichmäßige Temperaturverteilung bei thermischen
Regenerationen erzielen.
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Eine
Abgabe von Kraftstoff durch den Kraftstoffinjektor 7 zur
Unterstützung einer Partikelfilterregeneration erfolgt
soweit stromauf des Vorkatalysators 3, dass eine weitestgehende
Verdampfung des zugeführten Kraftstoffs längs
einer Zuführungsstrecke s ermöglicht ist. Vorteilhaft
ist es in diesem Zusammenhang, eine Zuführungsstrecke s
von mehr als 600 mm, insbesondere von mehr als 1000 mm Länge
vorzusehen. Je nach verfügbarem Bauraum und Kraftfahrzeugabmessungen
können bis zu 2000 mm vorgesehen sein. Bei Leerlaufbedingungen
resultiert daraus eine Laufzeit des abgegebenen Kraftstoffs vom
Kraftstoffinjektor 7 bis zum Vorkatalysator 3 von
typischerweise 0,08 s bis 0,3 s, was ausreichend für eine
Verdampfung des Großteils des abgegebenen Kraftstoffs ist.
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Besonders
vorteilhaft ist es, für die Zuführungsstrecke
s ein Abgasleitungsteil vom Motorraum zum Fahrzeug-Unterbodenbereich
zu nutzen. Eine wärmeisolierende Umhüllung kann
insbesondere für den Abgasleitungsabschnitt der Zuführungsstrecke
s vorgesehen sein. Vorzugsweise ist der Kraftstoffinjektor 7 brennkraftmaschinennah
angeordnet.
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Nachfolgend
wird eine bevorzugte Vorgehensweise im Zusammenhang mit einer thermischen Regeneration
des Partikelfilters 5 erläutert.
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Aufgrund
seiner bestimmungsgemäßen Funktion Rußpartikel
zurückzuhalten, ergibt sich mit zunehmender Betriebsdauer
eine zunehmende Rußbeladung des Partikelfilters 5 und
ein damit einhergehender störender Anstieg seines Strömungswiderstands.
Obschon bei üblichen Betriebsbedingungen abgelagerter Ruß durch
im Abgas enthaltenes, insbesondere durch den Vorkatalysator 3 und
den Hauptkatalysator 4 durch Oxidation erzeugtes NO2 kontinuierlich Ruß aufoxidiert
und entfernt werden kann, ergibt sich in mehr oder weniger regelmäßigen Abständen
eine Notwendigkeit zur thermischen Partikelfilterregeneration durch
thermischen Rußabbrand. Da die erforderlichen hohen Temperaturen von
550°C bis 650°C üblicherweise im normalen Fahrbetrieb
nicht erreicht werden, wird hierfür eine entsprechende
Erhöhung der Abgastemperatur durch Oxidation von vom Kraftstoffinjektor 7 ins
Abgas abgegebenem Kraftstoff bei Bedarf veranlasst.
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Die
Beladung des Partikelfilters mit Ruß bzw. Partikeln wird
hierfür laufend ermittelt bzw. abgeschätzt, was
durch Ermittlung eines Differenzdrucks über eine den Partikelfilter 5 enthaltende
Abgasstrecke und/oder über ein Beladungsmodell erfolgen kann.
Vorzugsweise ist vorgesehen, Summenwerte für bestimmte,
von für die Partikelemission maßgebenden Betriebskenngrößen
wie Brennkraftmaschinenbetriebszeit und/oder Fahrzeuglaufstrecke und/oder
Kraftstoffverbrauch in Bezug auf eine daraus resultierende Rußbeladung
des Partikelfilters zu bewerten. Wird ein vorgebbarer Beladungswert
bzw. ein vorgegebener, typischerweise empirisch ermittelter und
applizierter Grenzwert einer der maßgebenden Betriebskenngrößen überschritten,
so wird dies als eine unzulässig erhöhte Rußbeladung
des Partikelfilters gewertet und eine thermische Regeneration angefordert.
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Bevor
als Antwort auf eine Anforderung zur Initiierung und Durchführung
einer Partikelfilterregeneration der Kraftstoffinjektor 7 zur
Abgabe von Kraftstoff in Betrieb gesetzt wird, ist es vorgesehen,
dass bestimmte vorgegebene Freigabebedingungen abgefragt werden.
Zu diesen Freigabebedingungen kann das Vorliegen bestimmter Wertebereiche
von Brennkraftmaschinenbetriebsparamatern gehören. Erfindungsgemäß umfassen
die Freigabebedingungen jedoch zumindest das Vorliegen einer über
einem vorbestimmten Schwellenwert liegenden Hauptkatalysator-Eintrittstemperatur.
Vorzugsweise erfolgt eine Freigabe zur Betätigung des Kraftstoffinjektors 7 erst
dann, wenn mittels des eingangsseitig des Hauptkatalysators 4 angeordneten
Temperaturfühlers 10 eine über der Anspringtemperatur
liegende Abgastemperatur gemessen wird.
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Besonders
vorteilhaft ist es, vor einer Freigabe einen Vergleich von Hauptkatalysator-Eintrittstemperatur
und Hauptkatalysator-Austrittstemperatur vorzunehmen. Liegt die
mittels des Temperaturfühlers 11 erfasste Hauptkatalysator-Austrittstemperatur mehr
als etwa 20°C unter der Hauptkatalysator-Eintrittstemperatur,
so wird der Hauptkatalysator 4 als nicht ausreichend durchgewärmt
beurteilt und eine Freigabe für den Kraftstoffinjektor 7 nicht
gegeben, selbst wenn die Hauptkatalysator-Eintrittstemperatur über
der Anspringtemperatur des Hauptkatalysators 4 liegt.
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Liegt
eine Anforderung für eine Partikelfilterregeneration vor
und sind alle Freigabebedingungen erfüllt, so wird der
Kraftstoffinjektor 7 in Betrieb gesetzt und Dieselkraftstoff vorzugsweise
fein verteilt ins Abgas abgesprüht. Für eine feine
Verteilung ist es vorteilhaft, den Kraftstoffinjektor 7 als
Mehrlochinjektor auszubilden, und den Kraftstoff unter einem erhöhten
Druck von vorzugsweise 5 bar bis etwa 100 bar abzuspritzen.
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Für
eine bedarfsgerechte Mengenregulierung ist es vorgesehen, den Kraftstoffinjektor 7 getaktet
zu betreiben. Das entsprechende Öffnungsverhältnis
und damit die pro Zeiteinheit abgegebene Kraftstoffmenge werden
vorzugsweise in Abhängigkeit vom Signal des ausgangsseitig
vom Hauptkatalysator 4 angeordneten Temperaturfühlers 11 eingestellt.
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Die
Einstellung erfolgt bevorzugt durch eine Regelung oder Steuerung
derart, dass sich zunächst ein rampenförmiger
Anstieg der Hauptkatalysator-Austrittstemperatur auf einen Zielwert
für die Partikelfilterregeneration im Bereich zwischen
von 525°C bis 625°C ergibt. Vorzugsweise wird
eine Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von mehr als 1 K/min eingestellt.
Besonders bevorzugt ist eine Temperaturanstiegsgeschwindigkeit von
etwa 75 K/min. Auf diese Weise wird die Gefahr einer rasch einsetzenden
und unkontrollierbar verlaufenden, lawinenartigen Rußabbrandreaktion
mit lokal unzulässig überhöhten Spitzentemperaturen
und daraus resultierenden Beschädigungen des Partikelfilters 5 vermieden.
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Vorteilhaft
ist es in diesem Zusammenhang, eine sich an die rampenförmige
Aufheizphase anschließende Abbrandphase ihrerseits aufzuteilen
in zwei, vorzugsweise etwa 6 Phasen mit unterschiedlichen Rußabbrandgeschwindigkeiten
bzw. unterschiedlichen Hauptkatalysator-Austrittstemperaturen. In
einer ersten Rußabbrandphase wird dabei die Regeneration
nach Anstieg der Hauptkatalysator-Austrittstemperatur auf einen
ersten Zielwert von etwa 525°C begonnen. Vorzugsweise wird
die Temperatur in vorgegebenen oder vorgebbaren Stufen schrittweise
nach Ablauf einer jeweils vorgebbaren Beharrungszeit bis auf einen
Endzielwert von vorzugsweise etwa 600°C bis 625°C
erhöht. Die Temperaturzielwerte und Beharrungszeiten der
jeweiligen Temperaturstufen werden vorzugsweise unter Berücksichtigung
des Sauerstoffgehalts des Abgases, des Abgasmassenstroms und gegebenenfalls
weiterer die Rußabbrandgeschwindigkeit beeinflussender Größen
so gewählt, dass keine unkontrollierbare Reaktion stattfinden
kann, aber dennoch ein möglichst guter Abbrand erfolgt.
Je nach Größe und Typ des Filters werden Rußabbrandgeschwindigkeiten
eingestellt, die einer Abnahme der Rußbeladung um 1 g je Liter
Filtervolumen in etwa 0,5 min bis 4 min entsprechen. Vorteilhaft
ist es, die Umschaltung von einer Stufe oder Phase zur nächsten
zeitgesteuert nach Ablauf einer vorgegebenen oder vorgebbaren Zeitspanne
unter Berücksichtigung der genannten Einflussfaktoren vorzunehmen.
Die Umschaltung wird vorgenommen, indem der Kraftstoffinjektor 7 so
angesteuert wird, dass sich eine Erhöhung der Hauptkatalysator-Austrittstemperatur
auf den jeweiligen Temperaturzielwert ergibt.
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Die
Regeneration wird beendet, wenn ein vorbestimmtes Endekriterium
erfüllt ist. Das Endekriterium kann durch ein die Rußbeladung
des Partikelfilters 5 abschätzendes Beladungsmodell
oder eine Differenzdruckmessung über dem Partikelfilter 5 ermittelt
werden. Im einfachsten Fall wird die Regeneration nach Ablauf einer
vorgegebenen oder vorgebbaren Dauer von typischerweise etwa 25 min
beendet und der Kraftstoffinjektor 7 außer Betrieb
gesetzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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