DE102013005192B4 - Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs sowie Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage - Google Patents

Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs sowie Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage Download PDF

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Abstract

Abgasanlage (3) für eine Brennkraftmaschine (2) eines Kraftfahrzeugs, mit einem SCR-Katalysator (11) zur Durchführung einer selektiven katalytischen Reduktion von in Abgas der Brennkraftmaschine (2) enthaltenen Schadstoffen unter Verwendung eines Reduktionsmittels, wobei der SCR-Katalysator (11) stromabwärts einer Turbine (7) eines Abgasturboladers (8) angeordnet ist und eine Einbringvorrichtung (5) zur Einbringung des Reduktionsmittels in das Abgas an einer stromaufwärts der Turbine (7) angeordneten Einbringposition (6) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der Einbringposition (6) ein Stickoxidspeicherkatalysator (4) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einem SCR-Katalysator zur Durchführung einer selektiven katalytischen Reduktion von in Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenen Schadstoffen unter Verwendung eines Reduktionsmittels, wobei der SCR-Katalysator stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers angeordnet ist und eine Einbringvorrichtung zur Einbringung des Reduktionsmittels in das Abgas an einer stromaufwärts der Turbine angeordneten Einbringposition vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage.
  • Zur Verminderung des Stickoxidausstoßes von Brennkraftmaschinen sieht die Abgasanlage die Durchführung einer selektiven katalytischen Reduktion mittels eines Reduktionsmittels vor. Zu diesem Zweck weist die Abgasanlage den SCR-Katalysator sowie die Einbringvorrichtung zur Einbringung des Reduktionsmittels in das Abgas vor. Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Druckschrift DE 103 42 003 A1 bekannt, welche eine Vorrichtung zur Aufbereitung einer Reduktionsmittel-Vorprodukt-Lösung zur Reduktion von Stickoxiden im Abgas eines Verbrennungsmotors zeigt. Dabei ist vorgesehen, dass die Vorrichtung ein steuerbares Heizelement und eine katalytische Beschichtung aufweist, die mit dem Reduktionsmittel-Vorprodukt in Berührung kommt.
  • Weiterhin zeigt der Stand der Technik die Druckschrift DE 103 57 402 A1 , aus welcher ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors und ein entsprechender Verbrennungsmotor bekannt sind. Der Verbrennungsmotor verfügt über mehrere Brennräume und eine Abgasreinigungsanlage, die einen Ammoniak-Erzeugungs-Katalysator aufweist, der nur Abgas von wenigstens einem ersten Brennraum aufnimmt. Dabei sind die folgenden Schritte vorgesehen: Betreiben wenigstens eines zweiten Brennraums mit einem mageren Luft/Kraftstoff-Gemisch; Betreiben des wenigstens einen ersten Brennraums mit einem weniger mageren Verbrennungs-Luft/Kraftstoff-Gemisch und Erzeugen einer Ammoniak erzeugenden sauerstoffarmen Atmosphäre im Abgas des wenigstens einen ersten Brennraums. Dabei sind eine Drosselung einer Luftzufuhr zu dem wenigstens einen ersten Brennraum und ein Erzeugen des Sauerstoffmangels im Abgas des wenigstens einen Brennraums durch nach Verbrennungen erfolgendes Zuführen von Reduktionsmittel zum Abgas des wenigstens einen ersten Brennraums vorgesehen. Aus der Druckschrift WO 2007/069994 A1 ist schließlich eine Abgaseinrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt.
  • Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs vorzuschlagen, welche gegenüber dem bekannten Stand der Technik eine effektivere Verminderung des Stickoxidausstoßes der Brennkraftmaschine ermöglicht.
  • Dies wird erfindungsgemäß mit einer Abgasanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass stromaufwärts der Einbringposition ein Stickoxidspeicherkatalysator angeordnet ist. Zur Durchführung der selektiven katalytischen Reduktion wird stromaufwärts des SCR-Katalysators (SCR: selective catalytic reduction beziehungsweise selektive katalytische Reduktion) mittels der Einbringvorrichtung das Reduktionsmittel an der Einbringposition in das Abgas eingebracht. Die Einbringvorrichtung liegt mithin stromaufwärts des SCR-Katalysators vor. Um hinreichend hohe Umsetzungsraten in dem SCR-Katalysator zu erzielen, muss das eingebrachte Reduktionsmittel homogen mit dem Abgas vermischt werden, damit keine Ablagerung beziehungsweise keine Wandbenetzung der Abgasanlage mit dem Reduktionsmittel stattfindet. Hinzu kommt im Falle der Verwendung einer Harnstoff-Wasser-Lösung als Reduktionsmittel, dass der Tröpfchendurchmesser der Tröpfchendurchmesser des Harnstoff-Wasser-Gemischs möglichst klein sein muss, um den Harnstoff über Thermolyse und/oder Hydrolyse in Ammoniak möglichst effizient durchzuführen.
  • Bekannt ist es, wenigstens einen Mischer strömungstechnisch zwischen der Einbringposition und dem SCR-Katalysator in dem Abgas anzuordnen. Derartige Mischer behindern jedoch den Abgasstrom und tragen zu einem Mehrverbrauch bei. Zusätzlich sind sie hinderlich bei der Leistungsentfaltung und Leistungserreichung der Brennkraftmaschine. Aus diesem Grund soll nun die Turbine des Abgasturboladers anstelle eines Mischers zum effizienten Vermischen des eingebrachten Reduktionsmittels und des Abgases verwendet werden. Zu diesem Zweck ist die Einbringposition, an welcher das Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht wird, stromaufwärts der Turbine angeordnet, sodass das Reduktionsmittel zusammen mit dem Abgas durch die Turbine hindurchströmt. Der SCR-Katalysator ist schließlich stromabwärts der Turbine vorgesehen. Der vorstehend beschriebene Mischer kann insoweit entfallen, weil der Abgasturbolader beziehungsweise dessen Turbine seine Funktion übernimmt.
  • Zusätzlich soll es nun vorgesehen sein, dass stromaufwärts der Einbringposition ein Stickoxidspeicherkatalysator angeordnet ist. Dieser Stickoxidspeicherkatalysator dient beispielsweise dem Reduzieren von Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffen und zudem dem Zwischenspeichern wenigstens eines Teils der in dem Abgas enthaltenen Stickoxide. Mithilfe des Stickoxidspeicherkatalysators kann eine geringere Light-Off-Temperatur, ab welcher eine nahezu vollständige Umsetzung der in dem Abgas enthaltenen Schadstoffe erfolgt, erreicht werden. Zudem können Heizmaßnahmen entfallen, was den Energieverbrauch der Abgasanlage verringert und mithin den Wirkungsgrad einer Antriebseinrichtung, bestehend aus Brennkraftmaschine und Abgasanlage, verbessert. Beispielsweise dient der Stickoxidspeicherkatalysator dazu, in dem Abgas enthaltene Stickoxide solange zwischenzuspeichern, bis der SCR-Katalysator eine bestimmte Temperatur, insbesondere seine Betriebstemperatur, erreicht hat und mithin für das Reduzieren der Stickoxide zur Verfügung steht.
  • Das Einbringen des Reduktionsmittels stromaufwärts der Turbine des Abgasturboladers hat zudem den Vorteil, dass das Reduktionsmittel eine Kühlung der Turbine bewirkt, sodass insoweit eine Anordnung der Turbine näher an der Brennkraftmaschine möglich ist, als dies bislang der Fall ist.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Reduktionsmittel bei seiner Einbringung in das Abgas flüssig ist. Es ist also nicht vorgesehen, bereits gasförmiges Reduktionsmittel in das Abgas einzubringen beziehungsweise ein flüssiges Reduktionsmittel vor dem Einbringen zu verdampfen. Vielmehr soll das Reduktionsmittel flüssig sein, wenn es das erste Mal in Kontakt mit dem Abgas gerät. Auf diese Art und Weise wird die Verdampfungswärme des Reduktionsmittels für eine Kühlung des Abgases und mithin für eine Kühlung der Turbine vollständig ausgenutzt.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der strömungstechnische Abstand zwischen der Einbringposition und der Turbine derart gewählt wird, dass das flüssige Reduktionsmittel in die Turbine eintritt. Die Turbine besteht üblicherweise aus stationär angeordneten Leitschaufeln eines Leitrads sowie einem mit Laufschaufeln ausgestatteten Laufrad. Die Leitschaufeln des Leitrads dienen dazu, das Abgas dem Laufrad zuzuführen. Entsprechend durchströmt das Abgas zunächst die Leitschaufeln, bevor es das Laufrad durchströmt beziehungsweise überströmt. Entsprechend sind die Leitschaufeln einer höheren Temperaturbelastung ausgesetzt als das Laufrad beziehungsweise die Laufschaufeln. Aus diesem Grund soll der Abstand zwischen der Einbringposition und der Turbine derart gewählt werden, dass das Reduktionsmittel bei seinem Eintreten in die Turbine zumindest teilweise noch flüssig ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass das flüssige Reduktionsmittel auf die Leitschaufeln auftritt, jedoch nicht bis hin zu dem Laufrad beziehungsweise den Laufschaufeln gelangt. Letzteres würde eine unzulässig hohe mechanische Belastung der Laufschaufeln bewirken. Mit einer derartigen Ausgestaltung können die Leitschaufeln der Turbine besonders effizient gekühlt werden.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der SCR-Katalysator als Bestandteil eines Partikelfilters vorliegt. Dies ist insbesondere derart realisiert, dass der Partikelfilter mit einer Beschichtung vorgesehen ist, welche katalytisch wirksam ist, sodass der Partikelfilter nachfolgend zusätzlich als SCR-Katalysator arbeitet.
  • Schließlich kann vorgesehen sein, dass stromabwärts des SCR-Katalysators ein Sperrkatalysator vorgesehen ist. Dieser dient beispielsweise dazu, ein Austreten von Reduktionsmittel aus der Abgasanlage in eine Außenumgebung des Kraftfahrzeugs zu verhindern.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage, insbesondere gemäß den vorstehenden Ausführungen, wobei die Abgasanlage einen SCR-Katalysator zur Durchführung einer selektiven katalytischen Reduktion von in Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenen Schadstoffen unter Verwendung eines Reduktionsmittels aufweist, und wobei der SCR-Kalatysator stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers angeordnet ist und an einer stromaufwärts des der Turbine angeordneten Einbringposition mittels einer Einbringvorrichtung das Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht wird. Dabei ist vorgesehen, dass stromaufwärts der Einbringposition ein Stickoxidspeicherkatalysator angeordnet ist. Auf die Vorteile einer derartigen Ausgestaltung der Abgasanlage beziehungsweise einer derartigen Vorgehensweise wurde bereits hingewiesen. Die Abgasanlage sowie das entsprechende Verfahren können gemäß den vorstehenden Ausführungen weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt die einzige
  • Figur eine schematische Darstellung einer Antriebseinrichtung eines Kraftfahrzeugs, mit einer Brennkraftmaschine sowie einer Abgasanlage.
  • Die Figur zeigt eine Antriebseinrichtung 1 mit einer Brennkraftmaschine 2 sowie einer Abgasanlage 3. Das von der Brennkraftmaschine 2 erzeugte Abgas durchströmt die Abgasanlage 3, um anschließend beispielsweise durch ein Endrohr (nicht dargestellt) der Abgasanlage 3 in eine Außenumgebung der Antriebseinrichtung 1 zu gelangen. Die Abgasanlage 3 weist in Strömungsrichtung einen Stickoxidspeicherkatalysator 4, eine Einbringvorrichtung 5 zum Einbringen eines Reduktionsmittels in das Abgas an einer Einbringposition 6, eine Turbine 7 eines Abgasturboladers 8 sowie einen Partikelfilter 9 auf. Optional kann ein Sperrkatalysator 10 stromabwärts des Partikelfilters 9 vorliegen. Der Partikelfilter 9 ist nun derart ausgebildet, dass er auch als SCR-Katalysator 11 arbeitet. Beispielsweise weist der Partikelfilter 9 zu diesem Zweck eine entsprechende katalytische Beschichtung auf.
  • Das Reduktionsmittel, welches an der Einbringposition 6 in das Abgas eingebracht wird, durchströmt gemeinsam mit diesem die Turbine 7 des Abgasturboladers 8. Bei diesem Durchströmen erfolgt eine effiziente Vermischung des Reduktionsmittels mit dem Abgas beziehungsweise eine Homogenisierung des Gemischs aus Abgas und Reduktionsmittel. Entsprechend kann eine Reduktion von Stickoxiden in dem SCR-Katalysator 11 mit hohen Umsetzungsraten vorgenommen werden. Eventuell stromabwärts des SCR-Katalysators 11 noch in dem Abgas enthaltenes Reduktionsmittel wird mittels des entsprechend ausgebildeten Sperrkatalysators 11 zwischengespeichert und/oder umgewandelt.
  • Durch die Anordnung des Stickoxidspeicherkatalysators 4 stromaufwärts der Einbringposition 6 kann ein besonders effizientes Verfahren zum Betreiben der Abgasanlage 3 realisiert sein. Beispielsweise wird unmittelbar nach einem Start der Brennkraftmaschine 2 kein Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht. Die in dem Abgas vorliegenden Stickoxide werden vielmehr mittels des Stickoxidspeicherkatalysators 4 zumindest über eine bestimmte Zeitspanne hinweg zwischengespeichert. Erst wenn die Speicherkapazität des Stickoxidspeicherkatalysators 4 erschöpft ist und/oder der SCR-Katalysator 11 seine Betriebstemperatur erreicht hat, wird das Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht, sodass nachfolgend die Reduktion der Stickoxide mithilfe des SCR-Katalysators 11 unter Verwendung des Reduktionsmittels vorgenommen wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Antriebseinrichtung
    2
    Brennkraftmaschine
    3
    Abgasanlage
    4
    Stickoxidspeicherkatalysator
    5
    Einbringvorrichtung
    6
    Einbringposition
    7
    Turbine
    8
    Abgasturbolader
    9
    Partikelfilter
    10
    Sperrkatalysator
    11
    SCR-Katalysator

Claims (6)

  1. Abgasanlage (3) für eine Brennkraftmaschine (2) eines Kraftfahrzeugs, mit einem SCR-Katalysator (11) zur Durchführung einer selektiven katalytischen Reduktion von in Abgas der Brennkraftmaschine (2) enthaltenen Schadstoffen unter Verwendung eines Reduktionsmittels, wobei der SCR-Katalysator (11) stromabwärts einer Turbine (7) eines Abgasturboladers (8) angeordnet ist und eine Einbringvorrichtung (5) zur Einbringung des Reduktionsmittels in das Abgas an einer stromaufwärts der Turbine (7) angeordneten Einbringposition (6) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der Einbringposition (6) ein Stickoxidspeicherkatalysator (4) angeordnet ist.
  2. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel bei seiner Einbringung in das Abgas flüssig ist.
  3. Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der strömungstechnische Abstand zwischen der Einbringposition (6) und der Turbine (7) derart gewählt ist, dass das flüssige Reduktionsmittel in die Turbine (7) eintritt.
  4. Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der SCR-Katalysator (11) als Bestandteil eines Partikelfilters (9) vorliegt.
  5. Abgasanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des SCR-Katalysators (11) ein Sperrkatalysator (10) vorgesehen ist.
  6. Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage (3), insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abgasanlage (3) einen SCR-Katalysator (11) zur Durchführung einer selektiven katalytischen Reduktion von in Abgas der Brennkraftmaschine (2) enthaltenen Schadstoffen unter Verwendung eines Reduktionsmittels aufweist, und wobei der SCR-Katalysator (11) stromabwärts einer Turbine (7) eines Abgasturboladers (8) angeordnet ist und an einer stromaufwärts der Turbine (7) angeordneten Einbringposition (6) mittels einer Einbringvorrichtung (5) das Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der Einbringposition (6) ein Stickoxidspeicherkatalysator (4) angeordnet ist.
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