DE102013212801A1

DE102013212801A1 - Anordnung zur Abgasnachbehandlung für einen Verbrennungsmotor sowie Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102013212801A1
Application number: DE102013212801.0A
Authority: DE
Inventors: Jan Harmsen; Frank Linzen
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-07-01
Filing date: 2013-07-01
Publication date: 2015-01-08
Anticipated expiration: 2033-07-02
Also published as: US9540985B2; US20150000255A1; DE102013212801B4; CN104279028A; CN104279028B

Abstract

Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Abgasnachbehandlung für einen Verbrennungsmotor umfasst ein Abgasstrang (1) des Verbrennungsmotors einen Hauptzweig (3) mit einem ersten NO_x-Speicherkatalysator (6) sowie einen stromaufwärts des ersten NO_x-Speicherkatalysators (6) vom Hauptzweig (3) abzweigenden und stromabwärts des ersten NO_x-Speicherkatalysators (6) in den Hauptzweig (3) einmündenden, von zumindest einem Teil des Abgasstroms durchströmbaren ersten Umgehungszweig (10), wobei im Hauptzweig (3) stromabwärts der Einmündung des ersten Umgehungszweigs (10) in den Hauptzweig (3) ein zweiter NO_x-Speicherkatalysator (9) angeordnet ist und ein stromabwärts der Einmündung des ersten Umgehungszweigs (10) in den Hauptzweig (3) und stromaufwärts des zweiten NO_x-Speicherkatalysators (9) vom Hauptzweig (3) abzweigender, von zumindest einem Teil des Abgasstroms durchströmbarer zweiter Umgehungszweig (11) vorhanden ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Abgasnachbehandlung für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einer derartigen Anordnung zur Abgasnachbehandlung.
Verbrennungsmotoren erzeugen beim Betrieb häufig erhebliche Mengen von Stickoxiden (NO_x). Insbesondere bei in Kraftfahrzeugen eingesetzten Diesel- und Otto-Magermotoren liegen die Stickoxid-Mengen im Abgas in der Regel über den zulässigen Grenzwerten, so dass eine Abgasnachbehandlung zur Verringerung der NO_x-Emissionen notwendig ist. Bei einem verbreiteten Verfahren wird zur Reduzierung der NO_x-Emissionen ein SCR(Selective Catalytic Reduction)-Katalysator eingesetzt. Für die Umwandlung der Stickoxide durch einen SCR-Katalysator in unschädliche Stoffe ist die Zuführung von Ammoniak (NH₃) erforderlich, etwa durch Einspritzung einer Harnstoff-Lösung in den Abgasstrom. Bei einem anderen verbreiteten Verfahren wird ein NO_x-Speicherkatalysator (Lean NO_x Trap, LNT) eingesetzt, der die im Abgas des Verbrennungsmotors enthaltenen Stickoxide aufnimmt und speichert. Von Zeit zu Zeit muss eine Regeneration des NO_x-Speicherkatalysators erfolgen, wofür ein Kraftstoffüberschuss in dem durch den NO_x-Speicherkatalysator geleiteten Abgas erzeugt werden muss, was einen Mehrverbrauch an Kraftstoff verursacht. Sowohl beim Betrieb eines SCR-Katalysators als auch eines NO_x-Speicherkatalysators entstehen somit zusätzliche Kosten durch die notwendige Bereitstellung von Ammoniak bzw. von zusätzlichem Kraftstoff.
Aus US 7,472,545 B2 ist es bekannt, in einem Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors einen NO_x-Speicherkatalysator vorzusehen, der von einem SCR-Katalysator gefolgt wird. Wenn dem NO_x-Speicherkatalysator zur Regeneration Kraftstoff-Reformat zugeführt wird, wird der Abgasstrom über einen parallel zum NO_x-Speicherkatalysator geschalteten Umgehungszweig an diesem vorbei direkt zum SCR-Katalysator geführt.
In US 2006/0168948 A1 ist eine Abfolge von zwei NO_x-Speicherkatalysatoren offenbart, wobei der erste NO_x-Speicherkatalysator ein Aluminiumoxid-basierter und der zweite ein konventioneller NO_x-Speicherkatalysator ist. Bei einer Entschwefelung des ersten NO_x-Speicherkatalysators wird der Abgasstrom durch einen Umgehungszweig um den zweiten NO_x-Speicherkatalysator herum geleitet, so dass diesen sowohl beim normalen Betrieb als auch bei der Entschwefelung des ersten NO_x-Speicherkatalysators kein Schwefel erreicht.
Gemäß DE 196 26 837 A1 wird ein NO_x-Speicherkatalysator einer Abgasanlage einer Dieselbrennkraftmaschine gezielt bei solchen Betriebsbedingungen regeneriert, bei denen ein geringer NO_x-Gehalt im Abgasstrom vorliegt. In diesem Fall wird der Abgasstrom überwiegend an dem NO_x-Speicherkatalysator vorbeigeführt und der NO_x-Speicherkatalysator durch eine Kraftstoffeindüsung regeneriert. Im nachfolgenden, wieder zusammengeführten Teil der Abgasanlage ist ein Oxidationskatalysator angeordnet. Gemäß US 2006/0213187 A1 wird der Abgasstrom nacheinander durch einen Oxidationskatalysator, einen Partikelfilter, einen NO_x-Adsorber und einen SCR-Katalysator geleitet, wobei der NO_x-Adsorber während einer Regenerationsphase über eine Bypassleitung umgangen werden kann.
Bei den bekannten Abgasnachbehandlungsanordnungen und -verfahren zur Verringerung der NO_x-Emissionen entstehen erhebliche zusätzliche Betriebskosten durch die notwendige Bereitstellung von Ammoniak bzw. zusätzlichem Kraftstoff. Ferner ist es von den Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors abhängig, insbesondere von der aktuellen Drehzahl und der aktuellen Last, ob eine Regeneration des NO_x-Speicherkatalysators möglich ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zur Abgasnachbehandlung für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einer derartigen Anordnung zur Abgasnachbehandlung anzugeben, wobei die oben genannten Nachteile verringert oder vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung sowie durch ein Verfahren wie in den unabhängigen Ansprüchen angegeben gelöst.
Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Abgasnachbehandlung für einen Verbrennungsmotor, insbesondere für einen Dieselmotor oder einen Otto-Magermotor, ist in einem Hauptzweig des Abgasstrangs des Verbrennungsmotors ein erster NO_x-Speicherkatalysator angeordnet. Im Abgasstrom stromaufwärts des ersten NO_x-Speicherkatalysators zweigt vom Hauptzweig ein erster Umgehungszweig ab, der stromabwärts des ersten NO_x-Speicherkatalysators wieder in den Hauptzweig einmündet und der somit parallel zum ersten NO_x-Speicherkatalysator geschaltet ist und diesen umgeht. Der erste Umgehungszweig ist von zumindest einem Teil des Abgasstroms des Verbrennungsmotors durchströmbar und weist hierfür insbesondere einen entsprechenden Querschnitt auf. Zur wahlweisen Führung des Abgasstroms durch den ersten NO_x-Speicherkatalysator oder durch den ersten Umgehungszweig bzw. zur Aufteilung des Abgasstroms auf den Hauptzweig und den ersten Umgehungszweig kann ein entsprechendes Mittel zur Steuerung des Abgasstroms, etwa ein Ventil oder eine Klappe im Umgehungszweig oder im Hauptzweig zwischen der Abzweigung und der Einmündung des ersten Umgehungszweigs vorgesehen sein.
Erfindungsgemäß ist im Hauptzweig des Abgasstrangs im Abgasstrom weiter stromabwärts, d.h. stromabwärts der Einmündung des ersten Umgehungszweigs in den ersten Hauptzweig, ein zweiter NO_x-Speicherkatalysator angeordnet. Der zweite NO_x-Speicherkatalysator ist im Abgasstrang dem ersten NO_x-Speicherkatalysator mittelbar oder unmittelbar nachgeschaltet und kann zumindest zeitweise zumindest von einem Teil des Abgasstroms des Verbrennungsmotors durchströmt werden. Im Abgasstrang können weitere Abgasnachbehandlungsvorrichtungen angeordnet sein, beispielsweise im Hauptzweig stromabwärts der Einmündung des ersten Umgehungszweigs und stromaufwärts des zweiten NO_x-Speicherkatalysators oder auch stromabwärts des zweiten NO_x-Speicherkatalysators.
Erfindungsgemäß umfasst die Anordnung zur Abgasnachbehandlung ferner einen zweiten Umgehungszweig, der im Abgasstrom stromabwärts der Einmündung des ersten Umgehungszweigs in den Hauptzweig und stromaufwärts des zweiten NO_x-Speicherkatalysators vom Hauptzweig abzweigt und somit parallel zum zweiten NO_x-Speicherkatalysator geschaltet ist. Der zweite Umgehungszweig ist von zumindest einem Teil des Abgasstroms des Verbrennungsmotors durchströmbar und weist hierfür insbesondere einen entsprechenden Querschnitt auf. Der zweite Umgehungszweig kann stromabwärts des zweiten NO_x-Speicherkatalysators wieder in den Hauptzweig einmünden oder getrennt von diesem verlaufen. Zur wahlweisen Führung des Abgasstroms durch den zweiten NO_x-Speicherkatalysator oder durch den zweiten Umgehungszweig bzw. zur Aufteilung des Abgasstroms auf den Hauptzweig mit dem zweiten NO_x-Speicherkatalysator und den zweiten Umgehungszweig kann ein entsprechendes Mittel zur Steuerung des Abgasstroms vorgesehen sein, etwa ein Ventil oder eine Klappe im Umgehungszweig oder in dem vom zweiten Umgehungszweig umgangenen Abschnitt des Hauptzweigs.
Dadurch, dass stromabwärts der Einmündung des ersten Umgehungszweigs in den ersten Hauptzweig ein zweiter NO_x-Speicherkatalysator angeordnet ist, wird nicht nur eine besonders weitgehende Reduzierung der Stickoxid-Emissionen des Verbrennungsmotors ermöglicht, sondern eine Verringerung der NO_x-Emissionen auch in dem Fall bzw. in solchen Betriebsphasen ermöglicht, in denen der erste NO_x-Speicherkatalysator von einem Teil oder dem gesamten Abgasstrom umgangen wird. Eine derartige Umgehung kann insbesondere während einer Regeneration des ersten NO_x-Speicherkatalysators vorteilhaft sein. Erfindungsgemäß wird somit die Möglichkeit geschaffen, die Abgasnachbehandlungseinrichtung bzw. den Verbrennungsmotor mit der Abgasnachbehandlungseinrichtung derart zu betreiben, dass auch in einer Regenerationsphase des ersten NO_x-Speicherkatalysators eine Reinigung des Abgasstroms zur Verringerung des NO_x-Gehalts stattfindet. Hierdurch wird es insbesondere ermöglicht, eine Regeneration des ersten NO_x-Speicherkatalysators weitgehend unabhängig vom aktuellen Betriebszustand des Verbrennungsmotors durchzuführen und somit beispielsweise auch dann, wenn der Verbrennungsmotor nicht im Leerlauf oder in einer Schubphase und somit nicht mit aktuell geringem Stickoxidausstoß betrieben wird. Weiterhin wird dadurch, dass parallel zum ersten NO_x-Speicherkatalysator ein Umgehungszweig angeordnet ist, der von zumindest einem Teil des Abgasstroms des Verbrennungsmotors durchströmbar ist, eine Verringerung oder Unterbrechung des Abgasdurchflusses durch den ersten NO_x-Speicherkatalysator während einer Regenerationsphase ermöglicht, wodurch die Menge des durch diesen strömenden Sauerstoffs verringert und daher die Menge des zur Regeneration des ersten NO_x-Speicherkatalysators benötigten Kraftstoffs verringert wird. Schließlich wird dadurch, dass parallel zum zweiten NO_x-Speicherkatalysator ein zweiter Umgehungszweig vorgesehen ist, die Möglichkeit geschaffen, die Abgasnachbehandlungseinrichtung bzw. den Verbrennungsmotor mit der Abgasnachbehandlungseinrichtung derart zu betreiben, dass in einer Regenerationsphase des zweiten NO_x-Speicherkatalysators der Abgasdurchfluss durch den zweiten NO_x-Speicherkatalysator reduziert oder unterbunden ist, wodurch die Menge des durch diesen strömenden Sauerstoffs verringert und daher die Menge des zur Regeneration des zweiten NO_x-Speicherkatalysators benötigten Kraftstoffs ebenfalls verringert wird.
Vorzugsweise ist der Teil des Abgasstroms des Verbrennungsmotors, der den ersten Umgehungszweig durchströmt, mit einem ersten Ventil steuerbar. Hierdurch wird es ermöglicht, einen einstellbaren Anteil des Abgasstroms um den ersten NO_x-Speicherkatalysator herumzuleiten. Das erste Ventil kann in vorteilhafter Weise an der Abzweigung des ersten Umgehungszweigs vom Hauptzweig des Abgasstrangs angeordnet sein. Das erste Ventil kann von einer Steuerungseinrichtung derart ansteuerbar sein, dass bei einer Regeneration des ersten NO_x-Speicherkatalysators dieser von einem Teil oder dem gesamten Abgasstrom umgangen wird.
Weiterhin ist vorzugsweise der Teil des Abgasstroms des Verbrennungsmotors, der den zweiten Umgehungszweig durchströmt, mit einem zweiten Ventil steuerbar. Hierdurch wird es ermöglicht, einen einstellbaren Anteil des Abgasstroms an dem zweiten NO_x-Speicherkatalysator vorbei zu leiten. Das zweite Ventil kann in vorteilhafter Weise an der Abzweigung des zweiten Umgehungszweigs vom Hauptzweig des Abgasstrangs angeordnet sein. Das zweite Ventil kann von einer Steuerungseinrichtung derart ansteuerbar sein, dass bei einer Regeneration des zweiten NO_x-Speicherkatalysators dieser höchstens noch von einem Teil des Abgasstroms durchströmt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind am Hauptzweig des Abgasstrangs stromabwärts der Abzweigung des ersten Umgehungszweigs und stromaufwärts des ersten NO_x-Speicherkatalysators erste Mittel zur Kraftstoffzuführung und/oder stromabwärts der Abzweigung des zweiten Umgehungszweigs und stromaufwärts des zweiten NO_x-Speicherkatalysators zweite Mittel zur Kraftstoffzuführung angeordnet. Die ersten bzw. zweiten Mittel zur Kraftstoffzuführung können beispielsweise als Einspritzdüse oder als Verdampfer ausgebildet sein und dienen der Anreicherung des durch den ersten bzw. zweiten NO_x-Speicherkatalysator strömenden Abgases mit Kraftstoff, um eine Regeneration des betreffenden NO_x-Speicherkatalysators durchzuführen. Die ersten bzw. zweiten Mittel zur Kraftstoffzuführung sind insbesondere von einer Steuerungseinrichtung derart ansteuerbar, dass während einer Regeneration des ersten bzw. des zweiten NO_x-Speicherkatalysators eine für eine entsprechende Anreicherung des Abgases geeignete Kraftstoffmenge zugeführt wird. Diese ist dann, wenn zumindest ein Teil des gesamten Abgasstroms des Verbrennungsmotors über den ersten bzw. zweiten Umgehungszweig geführt wird, geringer als wenn der gesamte Abgasstrom während der Regeneration durch den betreffenden NO_x-Speicherkatalysator geleitet würde. Hierdurch wird ein besonders effektiver und kostengünstiger Betrieb der Abgasnachbehandlungsanordnung ermöglicht.
Vorzugsweise ist im Abgasstrang zwischen dem ersten und dem zweiten NO_x-Speicherkatalysator mindestens eine weitere Abgasnachbehandlungsvorrichtung angeordnet. Hierdurch wird eine besonders weitgehende Verringerung unerwünschter Abgasbestandteile ermöglicht. In besonders vorteilhafter Weise ist die mindestens eine weitere Abgasnachbehandlungseinrichtung zwischen der Einmündung des ersten Umgehungszweigs in den Hauptzweig und der Abzweigung des zweiten Umgehungszweigs angeordnet. Hierdurch wird es erreicht, dass der gesamte Abgasstrom, ggf. nach einem Durchströmen des ersten NO_x-Speicherkatalysators, durch die mindestens eine weitere Abgasnachbehandlungsvorrichtung geleitet wird und somit eine besonders vollständige Reinigung des Abgases ermöglicht wird.
Als mindestens eine weitere Abgasnachbehandlungsvorrichtung, die vorzugsweise zwischen dem ersten und dem zweiten NO_x-Speicherkatalysator angeordnet ist, kann insbesondere ein SCR-Katalysator und/oder ein beschichteter Diesel-Partikelfilter (Coated Diesel Particulate Filter, CDPF) und/oder ein kombinierter Filter mit einem SCR-Katalysator und einem Diesel-Partikelfilter (SDPF) vorgesehen sein. Ferner kann, insbesondere bei einem SCR-Katalysator oder einem SCPF unmittelbar stromaufwärts desselben, eine Zuführung von Ammoniak bzw. eines Ammoniak bereitstellenden Stoffs, etwa einer Harnstofflösung, vorhanden sein. Hierdurch wird eine weitere Reduzierung der NO_x- und/oder der Ruß-Emission sowie ggf. weiterer im Abgas enthaltener Schadstoffe ermöglicht.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors oder eines Otto-Magermotors, mit einer Anordnung zur Abgasnachbehandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche wird in einem ersten Betriebszustand im Wesentlichen der gesamte Abgasstrom des Verbrennungsmotors durch den ersten NO_x-Speicherkatalysator geleitet und in einem zweiten Betriebszustand zumindest ein überwiegender Teil des Abgasstroms durch den ersten Umgehungszweig geleitet, wobei im zweiten Betriebszustand eine Regeneration des ersten NO_x-Speicherkatalysators durchgeführt wird. Hierfür können Mittel zur Steuerung des Abgasstroms bzw. zur Zuführung von Kraftstoff, beispielsweise ein erstes Ventil an der Abzweigung des ersten Umgehungszweigs und eine stromaufwärts des ersten NO_x-Speicherkatalysators im Hauptzweig angeordnete Einspritzdüse, von einer Steuerungseinrichtung entsprechend angesteuert werden. Dadurch, dass im zweiten Betriebszustand zumindest ein überwiegender Teil des Abgasstroms durch den ersten Umgehungszweig geleitet wird und somit der erste NO_x-Speicherkatalysator nicht oder nur von einem geringeren Teil des Abgasstroms durchströmt wird, wird die Menge des dabei durch den ersten NO_x-Speicherkatalysator strömenden Sauerstoffs verringert, so dass für die Regeneration eine geringere Menge des zugeführten Kraftstoffs ausreicht.
Vorzugsweise wird sowohl im ersten als auch im zweiten Betriebszustand im Wesentlichen der gesamte Abgasstrom durch den zweiten NO_x-Speicherkatalysator geleitet. Im ersten Betriebszustand erfolgt hierdurch eine besonders weitgehende Reinigung des Abgasstroms, insbesondere eine weitgehende Vermeidung von NO_x-Emissionen. Im zweiten Betriebszustand, in dem der Abgasstrom den ersten NO_x-Speicherkatalysator umgangen hat, erfolgt eine Reinigung des Abgasstroms durch den zweiten NO_x-Speicherkatalysator. Hierdurch ist nicht nur eine besonders weitgehende Reduzierung der über alle Betriebszustände gemittelten NO_x-Emissionen des Verbrennungsmotors erzielbar, sondern es wird auch ermöglicht, eine Regeneration des ersten NO_x-Speicherkatalysators unabhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors durchzuführen; die Regeneration ist somit insbesondere nicht beschränkt auf Betriebszustände mit geringem NO_x-Ausstoß. Hierdurch wird es ermöglicht, eine Regeneration des ersten NO_x-Speicherkatalysators allein in Abhängigkeit von dessen Zustand, insbesondere von der Beladung, und zu einem hinsichtlich des Betriebs des ersten NO_x-Speicherkatalysators optimalen Zeitpunkt durchzuführen.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass in einem dritten Betriebszustand, in dem eine Regeneration des zweiten NO_x-Speicherkatalysators durchgeführt wird, im Wesentlichen der gesamte Abgasstrom des Verbrennungsmotors durch den ersten NO_x-Speicherkatalysator und zumindest ein überwiegender Teil des Abgasstroms durch den zweiten Umgehungszweig geleitet wird. Hierdurch wird eine Regeneration des zweiten NO_x-Speicherkatalysators ermöglicht, wobei der zweite NO_x-Speicherkatalysator nicht oder nur von einem geringeren Teil des Abgasstroms durchströmt wird. Dadurch ist die Menge des dabei durch den zweiten NO_x-Speicherkatalysator strömenden Sauerstoffs verringert, so dass für die Regeneration eine geringere Menge an zugeführtem Kraftstoff ausreicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird im zweiten und/oder im dritten Betriebszustand eine zusätzliche Kraftstoffeinspritzung in den Verbrennungsmotor zur Anfettung des Abgasstroms, d.h. zur Erzeugung eines Kraftstoffüberschusses im Abgasstrom, durchgeführt. Dies ermöglicht eine Regeneration des ersten bzw. des zweiten NO_x-Speicherkatalysators, ohne dass zusätzliche Mittel zur Kraftstoffzuführung im Abgasstrang vorgesehen werden müssten, oder es kann in dem Fall, dass Mittel zur Kraftstoffzuführung im Abgasstrang vorhanden sind, die Regeneration verbessert werden. In beiden Fällen wird ein überwiegender Teil des Abgasstroms, jedoch nicht der gesamte Abgasstrom, durch den ersten bzw. den zweiten Umgehungszweig geleitet, so dass ein verringerter Durchstrom durch den zu regenerierenden NO_x-Speicherkatalysator erfolgt, durch den das Abgas mit dem im Verbrennungsmotor zusätzlich eingespritzten Kraftstoff in den betreffenden NO_x-Speicherkatalysator gelangt.
Ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem umfasst eine wie oben beschrieben ausgebildete Anordnung zur Abgasnachbehandlung sowie eine Steuerungseinrichtung, die zur Ansteuerung von Mitteln zur Steuerung des Abgasstroms und von Mitteln zur Zuführung von Kraftstoff gemäß dem oben beschriebenen Verfahren eingerichtet ist. Die Steuerungseinrichtung kann Teil einer elektronischen Motorsteuerung des Verbrennungsmotors sein. Die Steuerungseinrichtung kann als Motorsteuerung auch zur Steuerung einer zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung in den Verbrennungsmotor ausgebildet sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigt:
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Abgasnachbehandlung für einen Verbrennungsmotor.
Wie in 1 beispielhaft symbolisch in Form eines Blockdiagramms gezeigt, umfasst der Abgasstrang 1 eines Verbrennungsmotors, der im dargestellten Beispiel ein Dieselmotor 2 ist, einen Hauptzweig 3, der vom Ausgang des Dieselmotors 2 ("Motorausgang") bis zu einem Ausgang 4 des Abgasstrangs 1 verläuft und in den nacheinander ein erstes Ventil 5, ein erster NO_x-Speicherkatalysator 6 (LNT1), ein beschichteter Diesel-Partikelfilter 7 (CDPF), ein zweites Ventil 8 und ein zweiter NO_x-Speicherkatalysator 9 (LNT2) eingeschaltet sind. Parallel zum ersten NO_x-Speicherkatalysator 6 ist ein erster Umgehungszweig 10 geschaltet, der stromaufwärts des ersten NO_x-Speicherkatalysators 6 vom Hauptzweig 3 abzweigt und stromabwärts des ersten NO_x-Speicherkatalysators 6 wieder in den Hauptzweig 3 einmündet. Entsprechend verläuft parallel zum zweiten NO_x-Speicherkatalysator 9 ein zweiter Umgehungszweig 11, der stromaufwärts des zweiten NO_x-Speicherkatalysators 9 vom Hauptzweig 3 abzweigt und stromabwärts des zweiten NO_x-Speicherkatalysators 9 wieder in diesen einmündet. An den Abzweigungen der beiden Umgehungszweige 10, 11 sind die Ventile 5, 8 angeordnet. Diese werden von einer nicht dargestellten Steuerungseinrichtung derart angesteuert, dass jeweils ein steuerbarer Anteil des gesamten vom Dieselmotor 2 kommenden Abgasstroms über den ersten bzw. den zweiten Umgehungszweig 10, 11 an dem jeweiligen NO_x-Speicherkatalysator 6, 9 vorbei geführt und stromabwärts wieder in den Hauptzweig 3 eingeleitet wird.
Zwischen der Einmündung des ersten Umgehungszweigs 10 und der Abzweigung des zweiten Umgehungszweigs 11 ist der beschichtete Diesel-Partikelfilter 7 angeordnet, der vom gesamten Abgasstrom durchströmt wird. Nach der Einmündung des zweiten Umgehungszweigs 11 in den Hauptzweig 3 kann dieser in einem Ausgang 4 des Abgasstrangs enden, oder es können dort weitere Abgasnachbehandlungsvorrichtungen, etwa zur Reduzierung weiterer Schadstoffe oder zur Lärmreduzierung, angeordnet sein (nicht dargestellt). Ebenfalls nicht dargestellt sind ggf. im Abgasstrang vorhandene weitere Vorrichtungen, wie etwa eine Abgasturbine oder Sensoren.
Stromaufwärts des ersten bzw. des zweiten NO_x-Speicherkatalysators 6, 9 sind Einspritzdüsen 12, 13 zur Einspritzung von Kraftstoff in den Hauptzweig 3 angeordnet. Die Einspritzdüsen 12, 13 sind ebenfalls von der Steuerungseinrichtung ansteuerbar.
In einem ersten Betriebszustand, der dem Normalbetrieb entspricht, sind die Ventile 5, 8 beide geschlossen, so dass der gesamte Abgasstrom des Dieselmotors 2 durch beide NO_x-Speicherkatalysatoren 6, 9 sowie durch den beschichteten Diesel-Partikelfilter 7 geleitet wird. Hierdurch erfolgt eine weitestgehende Reduzierung der im Abgas enthaltenen Schadstoffe, insbesondere der Stickoxide. Diese sammeln sich nach und nach im ersten NO_x-Speicherkatalysator 6 sowie auch im zweiten NO_x-Speicherkatalysator 9 an. Im Normalzustand herrscht im Abgas Sauerstoff-Überschuss.
Wenn aufgrund der Beladung des ersten NO_x-Speicherkatalysators 6 eine Regeneration durchgeführt werden soll, muss hierfür lokal ein Kraftstoff-Überschuss erzeugt werden, so dass der Sauerstoffgehalt im Abgas unter etwa 1% liegt. Hierfür wird das Ventil 5 teilweise geöffnet, so dass der überwiegende Anteil des Abgasstroms durch den ersten Umgehungszweig 10 strömt. Der verbleibende Abgasstrom durch den ersten NO_x-Speicherkatalysator 6 und daher auch die gesamte durch diesen strömende Sauerstoffmenge ist daher gering. Mit Hilfe der Einspritzdüse 12 wird Kraftstoff in das durch den ersten NO_x-Speicherkatalysator 6 strömende Abgas eingespritzt, wobei die Kraftstoffmenge, die zur Erzeugung eines Kraftstoff-Überschusses notwendig ist, entsprechend verringert ist. Ferner werden die mit dem Kraftstoff zugeführten Kohlenwasserstoffe (HC) aufgrund der verringerten Strömungsgeschwindigkeit effizienter umgesetzt, wodurch die notwendige Kraftstoffmenge nochmals reduziert wird. Während der Regeneration des ersten NO_x-Speicherkatalysators 6 ist das zweite Ventil 8 geschlossen, so dass der gesamte Abgasstrom durch den zweiten NO_x-Speicherkatalysator 9 geleitet wird und eine Emission von Stickoxiden vermieden wird.
Dementsprechend wird dann, wenn eine Regeneration des zweiten NO_x-Speicherkatalysators 9 durchgeführt werden soll, das Ventil 8 teilweise geöffnet, so dass der überwiegende Anteil des Abgasstroms durch den zweiten Umgehungszweig 11 strömt. Mit Hilfe der Einspritzdüse 13 wird Kraftstoff in das durch den zweiten NO_x-Speicherkatalysator 9 strömende Abgas eingespritzt, wobei die Kraftstoffmenge, die zur Erzeugung eines Kraftstoff-Überschusses notwendig ist, ebenfalls verringert ist. Während der Regeneration des zweiten NO_x-Speicherkatalysators 9 ist das erste Ventil 5 geschlossen, so dass eine Reinigung des Abgases von darin enthaltenen Stickoxiden durch den ersten NO_x-Speicherkatalysator 6 gewährleistet ist.
Die Ventile 5, 8 und die Einspritzdüsen 12, 13 werden von der Steuerungseinrichtung zur Durchführung der Regeneration des ersten bzw. des zweiten NO_x-Speicherkatalysators 6, 9 entsprechend angesteuert. Dabei erfolgt die Steuerung aufgrund der jeweiligen Beladung unter Berücksichtigung der für eine Regeneration geeigneten Betriebsbedingungen der NO_x-Speicherkatalysatoren 6, 9, etwa der jeweiligen Temperaturen, wobei ferner die Steuerung derart erfolgt, dass die Regeneration des ersten und des zweiten NO_x-Speicherkatalysators 6, 9 zu unterschiedlichen Zeitpunkten stattfindet. Eine Regeneration des ersten und des zweiten NO_x-Speicherkatalysators 6, 9 zu unterschiedlichen Zeitpunkten ist auch aus dem Grund vorteilhaft, weil die beiden NO_x-Speicherkatalysatoren 6, 9 aufgrund ihrer unterschiedlichen Position im Abgasstrang 1 unterschiedliche Aufwärmkurven aufweisen.
Da der für die Durchführung der Regeneration notwendige Kraftstoff-Überschuss durch Einspritzung von Kraftstoff im Abgasstrang 1 erzeugt wird, kann die Regeneration unabhängig von der aktuellen Motordrehzahl und der aktuellen Motorlast durchgeführt werden. So ist eine Regeneration insbesondere auch bei hoher Motorlast ebenso wie bei niedriger Motorlast möglich, was bei einer Erzeugung eines Kraftstoffüberschusses durch eine zusätzliche Kraftstoffeinspritzung im Motor in der Regel nicht erreichbar ist. Es ist jedoch auch möglich, zusätzlich zu der beschriebenen Kraftstoffzuführung im Abgasstrang eine zusätzliche Kraftstoffeinspritzung im Dieselmotor 2 vorzusehen.
Bezugszeichenliste

1: Abgasstrang
2: Dieselmotor
3: Hauptzweig
4: Ausgang
5: Ventil
6: NO_x-Speicherkatalysator
7: Beschichteter Diesel-Partikelfilter
8: Ventil
9: NO_x-Speicherkatalysator
10: Umgehungszweig
11: Umgehungszweig
12: Einspritzdüse
13: Einspritzdüse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7472545 B2 [0003]
US 2006/0168948 A1 [0004]
DE 19626837 A1 [0005]
US 2006/0213187 A1 [0005]

Claims

Anordnung zur Abgasnachbehandlung für einen Verbrennungsmotor, wobei ein Abgasstrang (1) des Verbrennungsmotors einen Hauptzweig (3) mit einem ersten NO_x-Speicherkatalysator (6) sowie einen stromaufwärts des ersten NO_x-Speicherkatalysators (6) vom Hauptzweig (3) abzweigenden und stromabwärts des ersten NO_x-Speicherkatalysators (6) in den Hauptzweig (3) einmündenden, von zumindest einem Teil des Abgasstroms durchströmbaren ersten Umgehungszweig (10) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass im Hauptzweig (3) stromabwärts der Einmündung des ersten Umgehungszweigs (10) in den Hauptzweig (3) ein zweiter NO_x-Speicherkatalysator (9) angeordnet ist und dass ein stromabwärts der Einmündung des ersten Umgehungszweigs (10) in den Hauptzweig (3) und stromaufwärts des zweiten NO_x-Speicherkatalysators (9) vom Hauptzweig (3) abzweigender, von zumindest einem Teil des Abgasstroms durchströmbarer zweiter Umgehungszweig (11) vorhanden ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil des Abgasstroms, der den ersten Umgehungszweig (10) durchströmt, mit einem ersten Ventil (5) steuerbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil des Abgasstroms, der den zweiten Umgehungszweig (11) durchströmt, mit einem zweiten Ventil (8) steuerbar ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Abzweigung des ersten Umgehungszweigs (10) und stromaufwärts des ersten NO_x-Speicherkatalysators (6) erste Mittel zur Kraftstoffzuführung und/oder stromabwärts der Abzweigung des zweiten Umgehungszweigs (11) und stromaufwärts des zweiten NO_x-Speicherkatalysators (9) zweite Mittel zur Kraftstoffzuführung angeordnet sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und dem zweiten NO_x-Speicherkatalysator (6, 9) mindestens eine weitere Abgasnachbehandlungsvorrichtung, insbesondere ein SCR-Katalysator und/oder ein beschichteter Diesel-Partikelfilter (7) und/oder ein Kombinationsfilter aus einem SCR-Katalysator und einem Diesel-Partikelfilter, angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einer Anordnung zur Abgasnachbehandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem ersten Betriebszustand im Wesentlichen der gesamte Abgasstrom des Verbrennungsmotors durch den ersten NO_x-Speicherkatalysator (6) geleitet wird und in einem zweiten Betriebszustand zumindest ein überwiegender Teil des Abgasstroms durch den ersten Umgehungszweig (10) geleitet wird, wobei im zweiten Betriebszustand eine Regeneration des ersten NO_x-Speicherkatalysators (6) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten und im zweiten Betriebszustand im Wesentlichen der gesamte Abgasstrom durch den zweiten NO_x-Speicherkatalysator (9) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Betriebszustand im Wesentlichen der gesamte Abgasstrom des Verbrennungsmotors durch den ersten NO_x-Speicherkatalysator (6) geleitet wird und zumindest ein überwiegender Teil des Abgasstroms durch den zweiten Umgehungszweig (11) geleitet wird, wobei im dritten Betriebszustand eine Regeneration des zweiten NO_x-Speicherkatalysators (9) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten und/oder dritten Betriebszustand eine zusätzliche Kraftstoffeinspritzung in den Verbrennungsmotor erfolgt.