DE102011017482A1

DE102011017482A1 - Betriebsverfahren für einen Kraftfahrzeug-Dieselmotor mit einer Abgasreinigungsanlage mit einem Partikelfilter und einer nachgeschalteten SCR-Katalysatoreinheit

Info

Publication number: DE102011017482A1
Application number: DE102011017482A
Authority: DE
Inventors: Ortwin Balthes; Thomas Beckmann; Dr. Keppeler Berthold; Dipl.-Ing. Müller Siegfried
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-04-19
Filing date: 2011-04-19
Publication date: 2012-04-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für einen Kraftfahrzeug-Dieselmotor mit einer Abgasreinigungsanlage umfassend in Strömungsrichtung des Abgas hintereinander angeordnet einen Oxidationskatalysator (34), eine Zugabeeinheit (38) für ein Ammoniak enthaltendes Stickoxid-Reduktionsmittel, einen mit einem SCR-Katalysatormaterial beschichteten Partikelfilter (35) und eine SCR-Katalysatoreinheit (36). Bei dem verfahren wird von Zeit zu Zeit eine Regeneration des Partikelfilters (35) mit einem thermischen Rußabbrand vorgenommen, wobei erfindungsgemäß nach einer Anforderung einer Regeneration des Partikelfilters (35) und vor und/oder während der Durchführung der Regeneration des Partikelfilters (35) die SCR-Katalysatoreinheit (36) mit Ammoniak versorgt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für einen Kraftfahrzeug-Dieselmotor mit einer Abgasreinigungsanlage umfassend in Strömungsrichtung des Abgas hintereinander angeordnet einen Oxidationskatalysator, eine Zugabeeinheit für ein Ammoniak enthaltendes Stickoxid-Reduktionsmittel, einen mit einem SCR-Katalysatormaterial beschichteten Partikelfilter und eine SCR-Katalysatoreinheit.
In der WO 03/054364 A2 ist eine Abgasreinigungsanlage eines Kraftfahrzeug-Dieselmotors beschrieben, welche hintereinander angeordnet einen Oxidationskatalysator, eine Zugabeeinheit für ein Ammoniak enthaltendes Stickoxid-Reduktionsmittel, einen mit einem SCR-Katalysatormaterial beschichteten Partikelfilter und eine SCR-Katalysatoreinheit aufweisen kann. Generell besteht ein Problem bei Abgasreinigungsanlagen mit Partikelfilter und nachgeschalteter SCR-Katalysatoreinheit darin, dass bei Durchführung einer thermischen Partikelfilterregeneration mit Rußabbrand aufgrund der Betriebsbedingungen Stickoxide (NOx) überwiegend unkonvertiert an die Umgebung abgegeben werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Betriebsverfahren für einen Kraftfahrzeug-Dieselmotor mit einer derartigen Abgasreinigungsanlage anzugeben, welches eine NOx-Verminderung auch bei Durchführung einer thermischen Partikelfilterregeneration mit Rußabbrand ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Betriebsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bei der hier in Rede stehenden Abgasreinigungsanlage sind in Strömungsrichtung des Abgas hintereinander angeordnet ein Oxidationskatalysator, eine Zugabeeinheit für ein Ammoniak enthaltendes Stickoxid-Reduktionsmittel, ein mit einem SCR-Katalysatormaterial beschichteter Partikelfilter und eine SCR-Katalysatoreinheit vorgesehen. Dabei erfolgt bei einem Normalbetrieb eine NOx-Reduktion je nach Betriebsbedingungen in unterschiedlichem Ausmaß teils an der SCR-Katalysatormaterialbeschichtung des Partikelfilters und teils an der SCR-Katalysatoreinheit. Da typischerweise die SCR-Katalysatoreinheit relativ motorfern im Unterbodenbereich des Fahrzeugs bzw. nahe des oder im Schalldämpfer vorgesehen ist, ist deren Temperatur in Betriebsbereichen mit vergleichsweise niedrigen Abgastemperaturen ebenfalls niedrig und daher die Katalysatoraktivität in diesen Fällen gering. Bei einer thermischen Partikelfilterregeneration, bei welcher Abgastemperaturen bis etwa 800°C auftreten, erreicht die SCR-Katalysatoreinheit jedoch auch bei ungünstiger Einbaulage Temperaturen, bei welchen die katalytische Wirksamkeit wenigstens annähernd in vollem Umfang vorhanden ist. Infolge der erfindungsgemäßen Vorgehensweise, nach einer Anforderung einer Partikelfilterregeneration und vor und/oder während der Durchführung der Regeneration des Partikelfilters die SCR-Katalysatoreinheit mit Ammoniak zu versorgen, ist somit eine NOx-Verminderung auch während einer thermischen Partikelfilterregeneration durch Rußabbrand ermöglicht.
Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Diese werden nachfolgend anhand der Zeichnung 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.
Die einzige Figur zeigt eine schematische Prinzipskizze eines Kraftfahrzeug-Dieselmotors mit einer vorteilhaften Ausführung einer daran angeschlossenen Abgasreinigungsanlage, bei welcher das erfindungsgemäße Verfahren zur Anwendung kommen kann.
Der Dieselmotor 1 weist vorliegend eine zweistufige Aufladung und eine zweistufige Abgasrückführung auf und umfasst einen Motorblock 2 mit Arbeitszylindern 3 mit nicht näher gekennzeichneten Brennräumen, wobei den Arbeitszylindern 3 bzw. deren jeweiligem Brennraum mittels einer Hochdruckpumpe 4 Kraftstoff zuführbar ist. Über ein Luftzufuhrsystem 5 kann den Arbeitszylindern 3 bzw. deren jeweiligem Brennraum Verbrennungsluft zugeführt werden und über einen Abgastrakt 6 wird Abgas aus den Arbeitszylindern 3 abgeführt. Im Luftzufuhrsystem 5 sind ein Luftfilter 7, ein erster Verdichter 10 eines als Hochdruck-Abgasturbolader 11 ausgebildeten ersten Abgasturboladers, ein zweiter Verdichter 8 eines als Niederdruck-Abgasturbolader 9 ausgebildeten zweiten Abgasturboladers, ein Ladeluftkühler 12 und eine Drosselklappe 13 angeordnet.
Im Abgastrakt 6 sind ausgehend vom Motorblock 2 in Strömungsrichtung des Abgases eine dem Hochdruck-Abgasturbolader 11 zugeordnete erste Turbine 14, eine dem Niederdruck-Abgasturbolader 9 zugeordnete zweite Turbine 15 und eine Abgasreinigungsanlage 16 angeordnet. Die Abgasreinigungsanlage 16 weist vorliegend einen Partikelfilter 35 zur Ausfilterung von Partikeln aus dem Abgas sowie einen vorgeschalteten Oxidationskatalysator 34 auf. Ferner kann ein nicht dargestelltes elektrisches Heizelement unmittelbar vor dem Oxidationskatalysator 34 vorgesehen sein.
Der Oxidationskatalysator 34 ist bevorzugt als so genannter Diesel-Oxidationskatalysator mit Keramik- oder mit Metallfolien-Trägerkörper ausgebildet. Der Partikelfilter 35 kann in Sintermetallausführung oder als wanddurchströmte Filtereinheit in Wabenkörperbauweise ausgebildet sein. Vorliegend ist für den Partikelfilter 35 eine Beschichtung mit einem SCR-Katalysatormaterial vorgesehen. Das SCR-Katalysatormaterial kann unter oxidierenden Bedingungen eine selektive, kontinuierliche Reduktion von NOx mittels eingespeichertem und/oder zugeführtem Ammoniak (NH₃) als selektivem NOx-Reduktionsmittel katalysieren. Bevorzugt als Katalysatormaterial ist ein Eisen oder Kupfer enthaltender Zeolith. Das SCR-Katalysatormaterial kann dabei auf der Rohgasseite und/oder auf der Reingasseite der filterwirksamen Flächen des Partikelfilters 35 vorgesehen sein. Bei der bevorzugten Ausführung des Partikelfilters 35 als üblicher wanddurchströmter Filter in Wabenkörperbauweise ist die Beschichtung mit dem entsprechenden SCR-Katalysatormaterial bevorzugt auf den rohgasexponierten Kanalwänden vorgesehen. Insbesondere in diesem Fall kann es vorteilhaft sein, die SCR-Abgasreinigungskomponente lediglich abschnittsweise eintrittsseitig oder austrittsseitig als Beschichtung vorzusehen. Beispielsweise kann über einen ersten Teil der axialen Ausdehnung des Partikelfilters 35 von etwa 50% der Länge eine Beschichtung mit dem SCR-Katalysatormaterial vorgesehen sein. Der in axialer Richtung gesehen hintere Teil kann unbeschichtet oder mit einer oxidationskatalytisch wirksamen Beschichtung versehen sein.
Zur Anreicherung des Abgases mit Ammoniak ist zwischen dem Oxidationskatalysator 34 und dem Partikelfilter 35 eine Zugabeeinheit 38 vorgesehen, welche Ammoniak oder ein zur Abspaltung von Ammoniak befähigtes Reduktionsmittel wie beispielsweise Harnstoff-Wasserlösung, in den Abgastrakt 6 eindüsen kann. Zur Verbesserung einer Gleichverteilung kann ein nicht gesondert dargestellter nachgeschalteter Mischer im Abgastrakt 6 angeordnet sein.
Weiter ist stromab des Partikelfilters 35 eine SCR-Katalysatoreinheit 36 im Abgastrakt 6 angeordnet. Diese ist analog zur SCR-Katalysatormaterialbeschichtung des Partikelfilters 35 zur selektiven Reduktion von NOx mit NH₃ befähigt. Vorzugsweise ist die SCR-Katalysatoreinheit 36 motorfern im Unterbodenbereich des Fahrzeugs, insbesondere in einem Endschalldämpfer angeordnet. Besonders bevorzugt ist jedenfalls eine Anordnung im Abgasstrang 6 derart, dass bei einer thermischen Partikelfilterregeneration deren Temperatur nicht über 550°C ansteigt. Durch geometrische Entfernung vom Partikelfilter 35 in Verbindung mit einer entsprechenden Dimensionierung des Abgastrakts 6 in Bezug auf Wärmeabgabe kann erreicht werden, dass zwischen einem auf etwa 800°C aufgeheizten Partikelfilter 35 und der SCR-Katalysatoreinheit 36 ein Temperaturgefälle von mehr als 250°C besteht.
Die SCR-Katalysatoreinheit 36 ist bevorzugt als monolithisches Abgasreinigungsbauteil in Wabenkörperform mit einer entsprechenden Beschichtung ausgebildet. Bevorzugt ist ebenfalls eine zeolithische Beschichtung auf Kupfer- oder Eisenbasis. Die SCR-Katalysatoreinheit 36 kann jedoch auch als Vollextrudat-Wabenkörper, beispielsweise auf der Basis von Vanadiumpentoxid/Titanoxid/Wolframoxid ausgebildet sein. Es ist besonders bevorzugt, wenn die SCR-Katalysatoreinheit 36 im Vergleich zum SCR-Katalysatormaterial der Partikelfilterbeschichtung einen anderen, insbesondere niedrigeren Temperaturbereich der katalytischen Wirksamkeit aufweist. Weiterhin ist eine Ausführungsform mit vergleichsweise großer Speicherfähigkeit für NH₃ bevorzugt. Um eine Abgabe von NH₃ an die Umgebung, beispielsweise infolge einer thermischen Desorption oder infolge von beladungsbedingtem Schlupf zu verhindern, kann stromab von der SCR-Katalysatoreinheit 36 ein weiterer Oxidationskatalysator als so genannter Sperr-Katalysator vorgesehen sein, was nicht gesondert dargestellt ist.
Stromab des zweiten Verdichters 8 zweigt ein den Hochdruck-Abgasturbolader 11 umgehender Verdichterbypass 18 ab, in welchem ein Verdichterbypassventil 19 angeordnet ist, so dass mittels des zweiten Verdichters 8 komprimierte Frischluft bzw. ein Frischluft-Abgasgemisch, abhängig von einem Betriebszustand des Motors 1 und einer daraus resultierenden Stellung des Verdichterbypassventils 19 den ersten Verdichter 10 in mehr oder weniger großem Umfang passieren kann. Auf diese Weise ist ein Ladedruck des Motors 1 regelbar bzw. bei niedrigen Drehzahlen des Motors 1, bei welchen der Hochdruck-Abgasturbolader 11 aufgrund eines zu geringen Abgasdrucks noch nicht betreibbar ist, der erste Verdichter 10 über den Verdichterbypass 18 umgehbar.
Im Abgastrakt 6 sind ebenfalls Bypässe 20, 21 angeordnet, welche jeweils eine Turbine 14, 15 umgehen, nämlich ein erster Turbinenbypass 20, in welchem ein erstes Turbinenbypassventil 22 angeordnet ist und ein zweiter Turbinenbypass 21, in welchem ein zweites Turbinenbypassventil 23 angeordnet ist. Bei niedrigen Drehzahlen des Motors 1 und daraus folgend einem niedrigen Abgasdruck ist der Hochdruck Abgasturbolader 11 noch nicht betreibbar, daher ist in diesem Betriebszustand das erste Turbinenbypassventil 22 derart ansteuerbar, dass ein Abgasmassenstrom über den ersten Turbinenbypass 20 an der ersten Turbine 14 vorbei leitbar ist und so vollständig zum Antrieb der zweiten Turbine 15 des Niederdruck-Abgasturboladers 9 nutzbar ist.
Bei sehr hohen Drehzahlen des Motors 1 ist der auf die Turbinen 14, 15 der Abgasturbolader 9, 11 einwirkende Abgasdruck hoch, wodurch diese hohe Drehzahlen erreichen. Daraus folgt eine hohe Verdichterleistung der Verdichter 8, 10 der Abgasturbolader 9, 11 und dadurch ein hoher Ladedruck des Frischluft-Abgasgemisches. Dieser darf jedoch einen vorgegebenen Wert nicht überschreiten, so dass bei Erreichen dieses vorgegebenen Wertes ein oder beide Turbinenbypässe 20, 21 als so genanntes Wastegate nutzbar sind. Dabei sind die Turbinenbypassventile 22, 23 derart ansteuerbar, dass sie beispielsweise teilweise öffnen, wodurch ein Teil des Abgasmassenstroms an den Turbinen 14, 15 vorbei leitbar und dadurch der auf die Turbinen 14, 15 einwirkende und diese antreibende Abgasdruck verringerbar ist. Daraus resultiert eine geringere Kompression des durch die Verdichter 8, 10 der Abgasturbolader 9, 11 verdichteten Gases, d. h. ein geringerer Ladedruck.
Mittels dieser Anordnung des Niederdruck-Abgasturboladers 9 und des Hochdruck-Abgasturboladers 11 ist eine Leistung des Motors 1 in unterschiedlichen Drehzahlbereichen optimierbar und ein jeweils optimaler Ladedruck bereitstellbar. Dadurch ist insbesondere ein so genanntes Turboloch, d. h. ein fehlender oder geringer Ladedruck und daraus resultierend eine geringe Leistung eines derartigen Motors 1 in niedrigen Drehzahlbereichen verhinderbar oder dieses Problem zumindest deutlich reduzierbar und damit beispielsweise ein Fahrverhalten und ein Treibstoffverbrauch eines durch diesen Motor 1 angetriebenen Fahrzeugs optimierbar.
Stromab des Partikelfilters 35 und stromauf von der SCR-Katalysatoreinheit 36, d. h. auf einer Niederdruckseite des Abgastrakts 6, zweigt vom Abgastrakt 6 eine Niederdruck-Abgasrückführungs-(AGR)-Leitung 24 ab, die stromauf des zweiten Verdichters 8 des Niederdruck-Abgasturboladers 9 und stromab des Luftfilters 7 wieder in das Luftzufuhrsystem 5 mündet. Mittels einer im Abgastrakt 6 angeordneten Abgasaufstauklappe 17 ist die Menge bzw. der Anteil von über die Niederdruck-Abgasrückführleitung 24 rückgeführtem Abgas beeinflussbar. Obschon vorliegend hinter der Abzweigestelle der Niederdruck-Abgasrückführleitung 24 angeordnet dargestellt, kann die Abgasaufstauklappe 17 auch hinter der SCR-Katalysatoreinheit 36 angeordnet sein.
In der Niederdruck-AGR-Leitung 24 ist stromab von der Abzweigung vom Abgastrakt 6 in Strömungsrichtung eines Niederdruck-AGR-Massenstroms gesehen ein Niederdruck-AGR-Kühler 25 und ein Niederdruck-AGR-Ventil 26 angeordnet. Optional kann die Kühlung des Niederdruck-AGR-Massenstroms unter Entfall des Niederdruck-AGR-Kühlers 25 über die verwendeten Rohrlängen oder Rohrgestaltungen erfolgen. Die Kühlung des Niederdruck-AGR-Massenstroms stellt sicher, dass an den Verdichtern 8, 10 im Abgasrückführungsbetrieb keine unzulässig hohen Temperaturen auftreten.
In der dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist weiterhin in der Niederdruck-AGR-Leitung 24 stromauf des Niederdruck-AGR-Kühlers 25 eine zweite SCR-Katalysatoreinheit 37 vorgesehen. Diese ermöglicht eine Verminderung von im rückgeführten Abgas gegebenenfalls vorhandenem NOx und/oder NH₃ bzw. Sauerstoff. Dadurch werden wiederum Ablagerungen insbesondere auf den Kühlflächen des Niederdruck-AGR-Kühlers 25 und Korrosionserscheinungen generell vermieden oder vermindert und es ist ein verbesserter Ablauf der in den Brennräumen der Brennkraftmaschine 1 erfolgenden Kraftstoffverbrennung ermöglicht. Die zweite SCR-Katalysatoreinheit 37 kann derart ausgebildet sein, dass sie eine Filterfunktion übernehmen kann, so dass zumindest vergleichsweise grobe Partikel aus dem über den Niederdruckpfad rückgeführten Abgas entfernt werden.
Ferner können stromauf und/oder stromab des Oxidationskatalysators 34 bzw. des Partikelfilters 35 ein oder mehrere weitere reinigungswirksame Abgasnachbehandlungskomponenten, wie beispielsweise ein weiterer Oxidationskatalysator, ein SCR-Katalysator und/oder ein Stickoxid-Speicherkatalysator im Abgastrakt 6 angeordnet sein, was nicht gesondert dargestellt ist.
Stromauf der Turbine 14 des Hochdruck-Abgasturboladers 11, d. h. auf einer Hochdruckseite des Abgastrakts 6, zweigt von einem Abgaskrümmer 33 des Abgastrakts 6 eine Hochdruck-AGR-Leitung 27 ab, die stromab der Drosselklappe 13 in das Luftzufuhrsystem 5 mündet. Mittels dieser Hochdruck-AGR-Leitung 27 ist ein Hochdruck-AGR-Massenstrom über ein Hochdruck-AGR-Ventil 28 in das Luftzufuhrsystem 5 leitbar. In der dargestellten Ausführungsform ist in der Hochdruck-AGR-Leitung 27 ein Hochdruck-AGR-Kühler 29 angeordnet, welcher gegebenenfalls mit dem Niederdruck-AGR-Kühler 25 baulich und/oder funktionell vereinigt sein kann. Optional kann jedoch eine Kühlung des Hochdruck-AGR-Massenstroms beispielsweise auch über eine Rohrlänge der Hochdruck-AGR-Leitung 27 erfolgen. Für den Niederdruck-AGR-Kühler 25 und/oder den Hochdruck-AGR-Kühler 29 können Umgehungsleitungen, insbesondere mit Einstellmitteln zur variablen Durchsatzeinstellung vorgesehen sein, was nicht gesondert dargestellt ist.
Der dargestellte Dieselmotor 1 weist somit eine Abgasrückführung auf, bei der Abgas stromauf der Turbine 14 des Hochdruck-Abgasturboladers 11 über einen entsprechenden Hochdruckpfad sowie stromab der Abgasreinigungseinheit 16 über einen entsprechenden Niederdruckpfad dem Abgastrakt 6 entnehmbar ist und, gegebenenfalls nach Abkühlung, stromauf des Verdichters 8 des Niederdruck-Abgasturboladers 9 sowie stromab der Drosselklappe 13 des Luftzufuhrsystems 5 und damit den Brennräumen 3 zuführbar ist. Der Motor 1 ist dabei wahlweise ohne Abgasrückführung, mit Hochdruck-Abgasrückführung oder Niederdruck-Abgasrückführung oder gleichzeitig mit Hochdruck-Abgasrückführung und Niederdruck-Abgasrückführung mit jeweils variablen Abgasrückführmengen betreibbar. Somit ist den Brennräumen 3 ein Verbrennungsgas mit einer in weiten Grenzen veränderbaren Abgasrückführrate mit variablem Niederdruckanteil und variablem Hochdruckanteil zuführbar. Eine Einstellung einer Abgasrückführungsmenge, d. h. des rückgeführten Abgasmassenstromes und damit der AGR-Rate, erfolgt mittels der Abgasaufstauklappe 17 und/oder des Niederdruck-AGR-Ventils 26 sowie mittels des Hochdruck-AGR-Ventils 28 als Einstellmitteln, womit der Niederdruckanteil sowie der Hochdruckanteil des insgesamt rückgeführten Abgases ebenfalls in weiten Grenzen einstellbar sind. Dies erzielt insgesamt saubere Abgasrückführungsmassenströme, eine bessere Abkühlung der Abgasrückführungsmassenströme, vermeidet Versottung der Abgasrückführungskühler 25, 29 und ermöglicht eine gute Durchmischung der Abgasrückführungsmassenströme mit Frischluft im Luftzufuhrsystem 5. Es sind hohe Abgasrückführungsraten möglich und es ist ein homogener oder zumindest teilhomogener Betrieb der Brennkraftmaschine 1 möglich.
Die Abgasaufstauklappe 17 und das Niederdruck-AGR-Ventil 26 sind vorliegend Stellglieder einer als Vorsteuerregelung ausgeführten Abgasrückführungsregelung. Sowohl das Niederdruck-AGR-Ventil 26 wie auch die Abgasaufstauklappe 17 sind vorzugsweise kontinuierlich verstellbar. Mit Hilfe der Abgasaufstauklappe 17 und des Niederdruck-AGR-Ventils 26 vor dem Verdichter 8 ist der Niederdruckanteil am gesamten Abgasrückführungsmassenstrom einstellbar und letzterer somit ebenfalls beeinflussbar. Solange ein ausreichendes Druckgefälle zur Förderung des Niederdruck-Abgasrückführungsmassenstroms vorhanden ist, ist dieser zunächst ausschließlich über das Niederdruck-AGR-Ventil 26 einstellbar. Ist dies nicht mehr der Fall, ist zusätzlich die Abgasaufstauklappe 17 etwas anstellbar, um das Druckgefälle über das Niederdruck-AGR-Ventil 26 zu erhöhen. Dabei ist eine sehr gute Durchmischung des Niederdruck-Abbgasrückführungsmassenstroms mit der Frischluft sichergestellt. Ein weiterer Vorteil besteht unter anderem darin, dass das über den Niederdruckpfad rückgeführte Abgas sauber und nahezu pulsationsfrei ist. Zusätzlich steht eine erhöhte Verdichterleistung zur Verfügung, da bei einem hohen Niederdruckanteil rückgeführten Abgases ein vergleichsweise hoher Abgasmassenstrom durch die Turbinen 14, 15 leitbar ist. Da das rückgeführte Abgas nach den Verdichtern 8, 10 durch den leistungsfähigen Ladeluftkühler 12 leitbar ist, kann die Temperatur des Frischluft und Abgas umfassenden Verbrennungsgases auch relativ kalt gehalten werden. Der Motor 1 ist je nach Bedarf sowohl mit der Hochdruck-Abgasrückführung als auch mit der Niederdruck-Abgasrückführung oder mit beiden betreibbar.
Mittels eines vorzugsweise vorgesehenen, den Ladeluftkühler 12 umgehenden Ladeluftkühlerbypasses 30 im Luftzufuhrsystem 5, ist eine Versottung des Ladeluftkühlers 12 vermeidbar. Die Gefahr einer so genannten Versottung besteht beispielsweise, wenn ein Wasserdampf und gegebenenfalls Partikel enthaltendes Gasgemisch im Ladeluftkühler 12 unter den Taupunkt abgekühlt wird und Kondensatbildung eintritt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das gesamte Frischluft-Abgasgemisch oder auch nur ein Teil davon über den Ladeluftkühlerbypass 30, welcher stromauf des Ladeluftkühlers 12 abzweigt, an dem Ladeluftkühler 12 vorbei geleitet werden kann, wodurch es durch den Ladeluftkühler 12 nicht kühlbar ist und daher die Temperatur nicht unter den Taupunkt abfällt. Um sicherzustellen, dass das Frischluft-Abgasgemisch, wenn nötig, d. h. bei hohen Temperaturen des Frischluft-Abgasgemisches, weiterhin mittels des Ladeluftkühlers 12 effektiv kühlbar ist, ist stromab der Verdichter 8, 10 und stromauf des Ladeluftkühlers 12 im Luftzufuhrsystem 5 ein Temperatursensor 31 angeordnet, so dass bei Erreichen einer vorgegebenen Temperatur ein im Ladeluftkühlerbypass 30 angeordnetes Ladeluftkühlerbypassventil 32 entsprechend ansteuerbar ist und daraufhin dieses Ladeluftkühlerbypassventil 32 beispielsweise vollständig öffnet oder vollständig schließt oder in einer weiteren Ausführungsform teilweise öffnet.
Für einen optimalen Betrieb des Motors 1 und des Abgasnachbehandlungssystems 16 sind vorzugsweise weitere Sensoren im Abgastrakt 6 sowie im Luftzufuhrsystem 5 vorgesehen, was der Übersichtlichkeit halber nicht näher dargestellt ist. Es können Temperatur- und/oder Drucksensoren ausgangsseitig des Abgaskrümmers 33, in den Turbinenbypässen 20, 21, eingangs- und/oder ausgangsseitig von Oxidationskatalysator 34 und Partikelfilter 35, eingangs- und/oder ausgangsseitig der SCR-Katalysatoreinheit 36, eingangs- und/oder ausgangsseitig des Luftfilters 7, eingangs- und ausgangsseitig der Verdichter 8, 10, in den Abgasrückführungsleitungen 24, 27 und gegebenenfalls an weiteren Stellen angeordnet sein, um die Temperatur- und Druckverhältnisse zu erfassen. Vorzugsweise ist ferner ein Luftmassenstromsensor stromab des Luftfilters 7 vorgesehen, um den Frischluftmassenstrom zu erfassen. Weiterhin sind vorzugsweise Abgassensoren im Abgastrakt 6, wie beispielsweise eine Lambdasonde im Abgaskrümmer 33 und vor und/oder nach dem Oxidationskatalysator 34 bzw. dem Partikelfilter 35 angeordnet, vorgesehen. Vorzugsweise sind ferner NOx-Sensoren vor und/oder hinter dem Partikelfilter 36 bzw. der SCR-Katalysatoreinheit 36 vorgesehen.
Die Signale der vorhandenen Sensoren sind von einem nicht dargestellten Steuergerät verarbeitbar, welches anhand der Signale und gespeicherten Kennlinien und Kennfelder Betriebszustände des Motors 1 allgemein, insbesondere im Abgastrakt 6 und im Luftzufuhrsystem 5 ermitteln und durch Ansteuerung von Stellgliedern gesteuert und/oder geregelt einstellen kann. Insbesondere sind Abgasrückführmassenströme im Nieder- und Hochdruckpfad sowie ein Lastzustand des Motors 1 in Bezug auf Drehmoment bzw. Mitteldruck sowie Drehzahl ermittel- bzw. einstellbar. Weiterhin sind Kraftstoffeinspritzparameter wie Anzahl der Kraftstoffeinspritzungen je Arbeitszyklus sowie deren Einspritzdruck, -Dauer und -Zeitpunkt einstellbar.
Nachfolgend werden vorteilhafte und bevorzugte Maßnahmen erläutert, welche dazu führen, dass auch bei einer thermischen Partikelfilterregeneration eine NOx-Verminderungsfunktion der Abgasreinigungsanlage 16 ermöglicht ist. Hierfür ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass nach einer Anforderung einer Regeneration des Partikelfilters 35 und vor und/oder während der Durchführung der Regeneration des Partikelfilters 35 die SCR-Katalysatoreinheit 36 mit Ammoniak versorgt wird. Eine Anforderung für eine Partikelfilterregeneration wird dann erzeugt, wenn erkannt wird, dass die Beladung des Partikelfilters 35 ein vorgebbares oder vorgegebenes Ausmaß erreicht bzw. überschritten hat. Dies kann beispielsweise durch eine modellmäßige Berechnung oder durch Auswertung eines Differenzdrucks über dem Partikelfilter 35 ermittelt werden.
In einer vorteilhaften Verfahrensvariante ist es vorgesehen, dass nachdem die Anforderung für eine Partikelfilterregeneration vorliegt, jedoch noch bevor die Partikelfilterregeneration durchgeführt wird, die Speichermenge von in der SCR-Katalysatoreinheit 36 eingespeichertem Ammoniak gegenüber einem Normalbetrieb erhöht wird. Bevorzugt wird dies durch eine Überdosierung von durch die Zugabeeinheit 38 dosiertem Reduktionsmittel bewirkt. Die Überdosierung des vorzugsweise in Form von Harnstoff eingesetzten Reduktionsmittels führt zu einem erhöhten Angebot an NH₃ im Abgasstrang 6, und zu dessen verstärkter Adsorption sowohl im SCR-Katalysatormaterial des Partikelfilters 35 als auch in der SCR-Katalysatorenheit 36. Nachdem eine vorgebbare Menge an zusätzlichem Ammoniak bereitgestellt wurde, wird die Harnstoffzugabe durch die Zugabeeinheit 38 beendet und sofort mit der Partikelfilterregeneration begonnen bzw. diese durchgeführt. Die Überdosierung kann derart ausgestaltet sein, dass eine wenigstens annähernde NH₃-Sättigung des SCR-Katalysatormaterials und/oder der SCR-Katalysatoreinheit 36 erzielt wird. Dies bedeutet, dass deren Aufnahmekapazität an NH3 an dem jeweiligem Betriebspunkt wenigstens annähernd erreicht ist. Ein maßgebender Zeitpunkt für eine Beendigung der Harnstoffzugabe kann beispielsweise dadurch festgelegt sein, dass ausgangsseitig der SCR-Katalysatoreinheit 36 ein vorgebbarer Konzentrationswert messtechnisch ermittelt wird. Durch diese Vorgehensweise wird in der SCR-Katalysatoreinheit 36 eine hohe Menge NH₃ derart vorgelegt, dass auch bei abgeschalteter Zugabeeinheit 38 während der Partikelfilterregeneration eine NOx-Verminderung zumindest durch die SCR-Katalysatoreinheit 36 erfolgen kann.
Zumindest während eines mehr oder weniger großen Zeitanteils der Aufheizung des Partikelfilters 35 auf die Regenerationstemperatur erfolgt eine NOx-Verminderung zusätzlich oder überwiegend auch durch dessen SCR-Katalysatormaterialbeschichtung. Infolge einer bevorzugt raschen Aufheizung kommt es jedoch typischerweise zu einer thermischen NH₃-Desorption aus dem SCR-Katalysatormaterial. Dies trägt zum erhöhten NH₃-Angebot für die SCR-Katalysatoreinheit 36 bei und kann bei Festlegung der Harnstoffzugabemenge durch die Zugabeeinheit 38 vor der Partikelfilterregeneration berücksichtigt werden. Je nach Auslegung der SCR-Katalysatormaterialbeschichtung des Partikelfilters 35 kann eine Desorption von zuvor eingespeichertem NH₃ auch noch während der Regeneration des Partikelfilters 35 erfolgen, so dass die Katalysatoreinheit (36) bei deaktivierter Zugabeeinheit 38 auch während der Partikelfilterregeneration auf diese Weise mit NH₃ versorgt wird und NOx mit zuvor eingespeichertem oder zugeführtem NH₃ reduzieren kann.
In einer weiteren vorteilhaften Vorgehensweise ist vorgesehen, dass die Zugabeeinheit 38 zumindest zeitweise auch während der Partikelfilterregeneration Harnstoff dosiert. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass eine besonders hohe Zugaberate eingestellt wird. Diese kann beispielsweise so bemessen sein, dass das resultierende Angebot an NH₃ die zur Verminderung des im Abgas vorhandenen NOx stöchiometrisch erforderliche Menge um mindestens das 1,5-fache, bevorzugt mindestens das 2-fache und besonders bevorzugt mindestens das 3-fache überschreitet. Auf diese Weise ist trotz der bei einer Partikelfilterregeneration erhöhten Temperatur der SCR-Katalysatormaterialbeschichtung ein bestimmter, wenn auch verminderter NOx-Umsatz möglich. Durch den Partikelfilter 35 hindurch tretender NH₃ kann jedenfalls von der stromabwärtigen SCR-Katalysatoreinheit 36 zur NOx-Reduktion genutzt werden. Eine durch NH₃-Umsatz an der SCR-Katalysatormaterialbeschichtung bewirkte Wärmefreisetzung kann zudem zur Aufheizung des Partikelfilters 35 bzw. zur Aufrechterhaltung von dessen erhöhter Temperatur genutzt werden. Dies vermindert das Ausmaß der hierfür vorgesehenen motorischen Maßnahmen, verbessert die CO₂-Bilanz infolge verringerten Kraftstoffmehrverbrauchs und verbessert die Regelgüte der Temperatureinstellung.
Die geschilderte Maßnahme kann dadurch modifiziert werden, dass eine Ungleichverteilung des zugegebenen Harnstoffs bzw. des daraus freigesetzten NH₃ in Bezug auf den Einströmquerschnitt des Partikelfilters 35 gezielt herbeigeführt wird. Dies kann beispielsweise durch Verändern eines Absprühwinkels der Zugabeeinheit 38 oder durch Verstellen eines verstellbaren Leit- bzw. Mischelements zwischen Zugabeeinheit 38 und Partikelfilter 35 erfolgen. Infolge der dadurch bewirkten lokalen Erhöhung des NH₃/NOx-Verhältnisses ist zumindest lokal eine Verbesserung der NOx-Reduktion ermöglicht. Weiterhin ist die durch den Partikelfilter hindurch tretende und von der SCR-Katalysatoreinheit 36 nutzbare NH₃-Menge erhöht.
Eine weitere vorteilhafte Maßnahme besteht darin, dass während der Partikelfilterregeneration von der Zugabeeinheit 38 dosiertes Reduktionsmittel wenigstens teilweise um den Partikelfilter 35 herum geleitet wird. Hierfür ist eine insbesondere variabel verschließbare Bypassleitung vorzusehen, welche zwischen der Zugabeeinheit 38 und dem Partikelfilter 35 von der entsprechenden Abgasleitung abzweigt und zwischen dem Partikelfilter 35 und der SCR-Katalysatoreinheit 36 wieder in diese einmündet. Während der Partikelfilterregeneration wird der Bypass wenigstens teilweise geöffnet und von der Zugabeeinheit 38 abgegebenes Reduktionsmittel wird allein aufgrund des geringeren Strömungswiderstands zusammen mit einem gewissen Abgasanteil durch den Bypass geleitet. Mittels eines optionalen zweiten Partikelfilters im Bypass ist eine Partikelentfernung aus diesem Abgasanteil ermöglicht.
Zusätzlich bzw. insbesondere alternativ zu den genannten Maßnahmen kann vorgesehen sein, dass während der Durchführung der Regeneration des Partikelfilters 35 von einer zweiten Zugabeeinheit, die stromab vom Partikelfilter 35 und stromauf von der SCR-Katalysatoreinheit 36 im Abgasstrang 6 angeordnet ist, Reduktionsmittel ins Abgas dosiert wird. Auf diese Weise wird die SCR-Katalysatoreinheit 36 mit Ammoniak versorgt welches aus dem von der zweiten Zugabeeinheit dosierten Reduktionsmittel freigesetzt wird. Bevorzugt ist bei dieser Variante die erste Zugabeeinheit 38 während der Partikelfilterregeneration außer Betrieb gesetzt. Diese Maßnahme hat außerdem den Vorteil, dass außerhalb eines Partikelfilteregenerationsbetriebs durch eine an die jeweilige Reduktionsaktivität Aktivität von SCR-Katalysatormaterial und SCR-Katalysatoreinheit 36 angepasste Dosierung durch die erste und/oder die zweite Zugabeeinheit das NOx-Verminderungspotential besonders wirksam ausgeschöpft werden kann.
Die infolge der beschriebenen Maßnahmen erzielte Verminderung der NOx-Freisetzung an die Umgebung während den von Zeit zu Zeit durchzuführenden thermischen Partikelfilterregenerationen kann durch begleitende Maßnahmen noch verbessert werden. Hierzu gehört bevorzugt eine Verminderung der NOx-Rohemission des Motors 1 speziell während der Partikelfilterregeneration, was vorzugsweise durch Einstellung einer insbesondere bis zum vorgesehenen Maximalwert erhöhten Niederdruck-AGR-Rate erreicht wird. Bevorzugt wird die Hochdruck-AGR-Rate zugunsten der Niederdruck-AGR-Rate auf Null reduziert.
Generell angestrebt ist in diesen Zusammenhang eine Minimierung der Anzahl bzw. Häufigkeit von Partikelfilterregenerationen. Hierfür kann eine Anhebung der NOx-Rohemission des Motors 1 bei Normalbetrieb, insbesondere bei Temperaturen von um oder über 300°C des Partikelfilters 35 vorgesehen sein. Infolge Oxidation am Oxidationskatalysator 34 wird vermehrt Stickstoffdioxid (NO₂) angeboten, welches eine Rußoxidation bzw. kontinuierliche Partikelfilterregeneration (CRT-Effekt) bewirkt. Damit vermindert sich die Rußbeladungsrate des Partikelfilters 35 und die thermischen Regenerationen sind seltener erforderlich. Ein weiterer positiver Nebeneffekt ist ein mit der erhöhten NOx-Rohemission typischerweise einhergehender verminderter Kraftstoffverbrauch des Motors 1. Eine Steigerung des NO₂-Angebots und damit des erwünschten CRT-Effekts ist durch Zugabe von Harnstoff bzw. Ammoniak stromauf des Oxidationskatalysators 34 ermöglicht. Hierfür kann eine zusätzliche Zugabeeinheit vorgesehen sein, welche bei Bedarf aktiviert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 03/054364 A2 [0002]

Claims

Betriebsverfahren für einen Kraftfahrzeug-Dieselmotor mit einer Abgasreinigungsanlage umfassend in Strömungsrichtung des Abgas hintereinander angeordnet einen Oxidationskatalysator (34), eine Zugabeeinheit (38) für ein Ammoniak enthaltendes Stickoxid-Reduktionsmittel, einen mit einem SCR-Katalysatormaterial beschichteten Partikelfilter (35) und eine SCR-Katalysatoreinheit (36), bei welchem von Zeit zu Zeit eine Regeneration des Partikelfilters (35) mit einem thermischen Rußabbrand vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Anforderung einer Regeneration des Partikelfilters (35) und vor und/oder während der Durchführung der Regeneration des Partikelfilters (35) die SCR-Katalysatoreinheit (36) mit Ammoniak versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die SCR-Katalysatoreinheit (36) vor der Durchführung der Regeneration des Partikelfilters (35) derart mit Ammoniak versorgt wird, dass eine Speichermenge von in der SCR-Katalysatoreinheit (36) eingespeichertem Ammoniak gegenüber einem Normalbetrieb erhöht ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erhöhte Speichermenge von in der SCR-Katalysatoreinheit (36) eingespeichertem Ammoniak durch Überdosierung von durch die Zugabeeinheit (38) dosiertem Reduktionsmittel bewirkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die SCR-Katalysatoreinheit (36) während der Durchführung der Regeneration des Partikelfilters (35) mit aus dem SCR-Katalysatormaterial der Partikelfilterbeschichtung thermisch desorbiertem Ammoniak versorgt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während der Durchführung der Regeneration des Partikelfilters (35) die Zugabeeinheit (38) Reduktionsmittel ins Abgas dosiert und die SCR-Katalysatoreinheit (36) mit aus diesem dosierten Reduktionsmittel freigesetzten Ammoniak versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Versorgung der SCR-Katalysatoreinheit (36) mit Ammoniak von der Zugabeeinheit (38) ins Abgas dosiertes Reduktionsmittel wenigstens teilweise um den Partikelfilter (35) geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während der Durchführung der Regeneration des Partikelfilters (35) von einer zweiten Zugabeeinheit, die stromab vom Partikelfilter (35) und stromauf von der SCR-Katalysatoreinheit (36) angeordnet ist, Reduktionsmittel ins Abgas dosiert wird und die SCR-Katalysatoreinheit (36) mit aus diesem dosierten Reduktionsmittel freigesetzten Ammoniak versorgt wird.