DE102014201077B4 - Abgasreinigungssystem zur selektiven katalytischen Reduktion - Google Patents

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Abstract

Abgasreinigungssystem, aufweisend einen Abgaspfad (6), in dem Abgasnachbehandlungseinrichtungen (2, 3, 4 ,5) wie ein erster Katalysator (2) zur selektiven katalytischen Reduktion, und ein zweiter Katalysator (5) zur selektiven katalytischen Reduktion angeordnet sind, wobei erste und zweite Einbringelemente (7, 8) zum Einbringen eines reduzierenden Wirkstoffes jeweils stromauf des jeweiligen Katalysators (2, 5) zur selektiven katalytischen Reduktion vorgesehen sind, wobei zwischen den beiden Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion (2, 5), aber stromauf eines zweiten Einbringelementes (8) Abgasnachbehandlungseinrichtungen (3, 4) wie ein Oxidationskatalysator (3) und ein Partikelfilter (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator (2) zur selektiven katalytischen Reduktion stromauf jeder anderen Abgasnachbehandlungseinrichtung (3, 4) wie ein Oxidationskatalysator (3) und ein Partikelfilter (4) in einem Bypass (9) angeordnet ist, welcher ein Steuerelement (10) in dem Abgaspfad (6) stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung (3, 4) umgeht, und wobei das erste Einbringelement (7), welches dem ersten Katalysator (2) zur selektiven katalytischen Reduktion zugeordnet ist, stromauf des ersten Katalysators (2) zur selektiven katalytischen Reduktion motornah angeordnet ist, wobei der erste Katalysator (2) zur selektiven katalytischen Reduktion selbst motornah angeordnet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgasreinigungssystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, aufweisend einen Abgaspfad in dem ein erster Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion, und ein zweiter Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion angeordnet sind, wobei Einbringelemente zum Einbringen eines reduzierenden Wirkstoffes jeweils stromauf des jeweiligen Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion vorgesehen sind, wobei zwischen den beiden Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion, aber stromauf eines zweiten Einbringelementes Abgasnachbehandlungseinrichtungen wie ein Oxidationskatalysator und ein Partikelfilter angeordnet ist.
  • Mit der EP 1 458 960 B1 sollen Verbesserungen bei der selektiven katalytischen Reduktion erreicht werden können. Die EP 1 458 960 B1 beschreibt ein Abgassystem für eine Brennkraftmaschine. Das Abgassystem umfasst: einen ersten Katalysator, der die Reduktion von NOx mit einer Stickstoffverbindung als Reduktionsmittel selektiv katalysieren kann; ein erstes Mittel zum Einbringen der Stickstoffverbindung in ein vom Abgassystem geführtes Abgas stromauf des ersten Katalysators; einen Partikelfilter umfassend einen zweiten Katalysator, der die Reduktion von NOx mit einer Stickstoffverbindung als Reduktionsmittel selektiv katalysieren kann, wobei der Partikelfilter stromab des ersten Katalysators angeordnet ist; einen stromab des ersten SCR-Katalysators und stromauf des Partikelfilters angeordneten Katalysator, der NO zu NO2 oxidieren kann, und ein zweites Mittel zum Einbringen einer Stickstoffverbindung in das Abgas zwischen dem NO-Oxidationskatalysator und dem Partikelfilter. Das Abgassystem der EP 1 458 960 B1 hat aufgrund der großen Anzahl an Abgasnachbehandlungseinrichtungen, welche in Reihe hintereinander in dem Abgaspfad angeordnet sind einen sehr großen Abgaswiderstand, was sich nachteilig auf die zur Verfügung stehende Leistung des Verbrennungsmotors auswirkt. Da alle Abgasnachbehandlungseinrichtungen, also insbesondere auch der motornah angeordnete, erste SCR-Katalysator stets von Abgasen durchströmt werden, ist dieser erheblichen Belastungen ausgesetzt, so dass ein relativ frühes Altern erreicht ist, was einen sehr frühzeitigen Austausch insbesondere des ersten SCR-Katalysators bedingt, da ansonsten die normativ vorgeschriebenen und geforderten Abgaswerte nicht erreichbar sind. Ein Austausch ist sehr zeit- und kostenintensiv, wobei ein früher Austausch von Abgasnachbehandlungseinrichtungen noch dazu ein negatives Qualitätsempfinden des Fahrzeugführers gegenüber dem Fahrzeughersteller impliziert.
  • Die US 2008 /0 264 042 A1 offenbart ebenfalls ein Abgasreinigungssystem, wobei in dem Abgasstrang aufeinanderfolgend ein Oxidationskatalysator, ein Dieselpartikelfilter und ein Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion angeordnet sind. Ein Reduktionsmittel kann stromauf des SCR-Katalysators in den Abgasstrang eingebracht werden. Eine Heizvorrichtung ist vorgesehen, welche die Abgase stromauf des SCR-Katalysators, z.B. nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors auf eine Temperatur von 700°C bis 1000°C erwärmen kann.
  • Die DE 11 2006 003 231 T5 (= US 2007 /0 122 317 A1 ) offenbart ebenfalls ein System zur selektiven katalytischen Reduktion, welches zwei hintereinander angeordnete Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Katalysatoren) aufweist. Stromauf des jeweiligen SCR-Katalysators wird Ammoniak als Reduktionsmittel eingeleitet, wobei das Ammoniak in einem Ammoniakerzeugungssystem erzeugt wird.
  • In der DE 103 54 803 A1 (= US 2004 / 0 118 109 A1 ) wird ebenfalls ein Abgasreinigungssystem beschrieben, wobei ein Reduktionsmittel stromauf einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, aber auch in dieselbe eingeleitet wird, Stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung wird aber weniger Reduktionsmittel eingeleitet als zur Behandlung des Abgases benötigt wird.
  • Aus der DE 602 00 714 T2 (= EP 1 321 641 B1 ) ist ein Abgasemissionsreinigungssystem bekannt. Eine erste Abgasreinigungsvorrichtung ist in einer Abgaspassage angeordnet. In einer Bypassabgaspassage ist eine zweite Abgasreinigungsvorrichtung angeordnet. Sowohl die zweite Abgasreinigungsvorrichtung als auch die zweite Abgasreinigungsvorrichtung weisen jeweils einen SCR-Katalysatoren auf, denen, in Strömungsrichtung der Abgase gesehen, jeweils andere Abgasnachbehandlungseinrichtungen wie ein Oxydationskatalysator und ein Partikelfilter vorgeschaltet sind. Zudem ist eine Zuführeinrichtung zum Zuführen von Reduktionsmittel offenbart, welche aufstromig eines Abzweigabschnittes der Bypassabgaspassage angeordnet ist.
  • Die US 2009/0 151 331 A1 befasst sich mit einer Emissionsreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, wobei sich die US 2004 / 0 093 855 A1 mit einem System und einer Methode zur Reduzierung von Stickstoffoxiden in Abgasen von Verbrennungsmotoren beschäftigt.
  • Zur Behandlung von Abgasen aus z.B. Dieselverbrennungsmotoren werden derzeit vermehrt Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Katalysatoren) eingesetzt, um NOx in den Abgasen zu reduzieren. Dazu wird eine Stickstoffverbindung, also z.B. Ammoniak oder ein Vorläufer (Harnstoff) davon in die Abgase hineindosiert, so dass das Ammoniak auf dem SCR-Katalysator mit den durch den (Diesel)Verbrennungsmotor erzeugten NOx-Bestandteilen des Abgases reagieren kann, so dass diese zu harmlosem Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) reduziert werden. Solche SCR-Systeme können eine sehr hohe Umwandlungseffizienz (bis zu 100% NOx) aufweisen, wobei allerdings eine bestimmte Betriebstemperatur der SCR-Katalysatoren erreicht sein muss. Oberhalb von 200°C ist die Umwandlungseffizienz optimal, wobei bei einer Temperatur von weniger als 150°C eine Umwandlung eher nicht erreichbar ist.
  • Von daher ist ein SCR-Katalysator nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors für einen bestimmten Zeitabschnitt inaktiv, so dass die NOx-Bestandteile während dieser Zeitspanne nicht in harmlosen Stickstoff und Wasser umgewandelt werden können, bis die Betriebstemperatur des SCR-Katalysators erreicht ist. Da der SCR-Katalysator meist sehr weit entfernt von dem Verbrennungsmotor, quasi als letzte Abgasnachbehandlungseinrichtung im Abgasstrang angeordnet ist, verzögert sich das Erreichen der erforderlichen Betriebstemperatur weiter. Wird noch ein Vorläufer des Ammoniaks, also z.B. wässriger Harnstoff in das Abgas eingeleitet, wird eine Umwandlung erst oberhalb von 160°C stattfinden, so dass ein unvollständiger Abbau und ein Ablagern zu befürchten ist.
  • Einige Bauarten von SCR-Katalysatoren können bestimmte Beträge an Ammoniak speichern, welches zur NOx-Reduzierung herangezogen werden kann, wenn eine Einleitung nicht durchgeführt wird. Insofern kann mit einer solchen Maßnahme die Zeit nach einem Kaltstart überbrückt werden, so dass die Betriebsfähigkeit des SCR-Katalysators durch das vorhandene, also gespeicherte Ammoniak weitaus schneller erreichbar sein kann.
  • Bei der Positionierung des SCR-Katalysatoren muss darauf geachtet werden, dass keinerlei Oxidationskatalysatoren, oder andere oxidierende Abgasnachbehandlungseinrichtungen zwischen der Einleiteinrichtung zum Einleiten des Ammoniaks oder Vorläufern davon und dem SCR-Katalysator vorhanden ist. Jede Edelmetall enthaltende Vorrichtung, wie z.B. Dieseloxidationskatalysatoren (DOC), Ummantelte Diesel Partikelfilter (CDPF), oder Stickstoffabsorber (LNT) führen zu einer Oxidation des eingeleiteten Ammoniaks welches dann nicht zu dem SCR-Katalysator gelangen kann. Allerdings müssen solche Abgasnachbehandlungseinrichtungen in dem Abgasstrang angeordnet werden, um Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoffmonoxid und Partikel (z.B. Ruß) zurückzuhalten, bzw. nicht oder zumindest reduziert in die Umwelt abzuleiten. Alle diese Nachbehandlungseinrichtungen benötigen zudem eine sehr hohe Abgastemperatur um Ihre Funktion effektiv ausführen zu können.
  • Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Abgassystem der Eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem die NOx-Umwandlung nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors verbessert werden kann.
  • Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.
  • Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Bildern zusätzlich.
  • Erfindungsgemäß ist ein Abgasreinigungssystem, aufweisend einen Abgaspfad vorgesehen, in dem Abgasnachbehandlungseinrichtungen wie ein erster Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion, und ein zweiter Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion angeordnet sind, wobei erste und zweite Einbringelemente zum Einbringen eines reduzierenden Wirkstoffes (Reduktionsmittel) jeweils stromauf des jeweiligen Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion vorgesehen sind, und wobei zwischen den beiden Katalysatoren zur katalytischen Reduktion, aber stromauf eines zweiten Einbringelementes Abgasnachbehandlungseinrichtungen wie ein Oxidationskatalysator und ein Partikelfilter angeordnet ist, wobei der erste Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion in einem Bypass angeordnet ist, welcher ein Steuerelement in dem Abgaspfad stromauf einer Abgasnachbehandlungseinrichtung umgeht, und wobei das erste Einbringelement, welches dem ersten Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion zugeordnet ist, stromauf des ersten Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion motornah angeordnet ist. Stromab des zweiten Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion können weitere Abgasnachbehandlungseinrichtungen vorgesehen sein. Zwischen dem ersten Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion und dem zweiten Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion, aber stromauf des zweiten Einbringelementes können Abgasnachbehandlungseinrichtungen mit beispielsweise oxidativer Wirkung wie z.B. ein Oxidationskatalysator und/oder ein Partikelfilter angeordnet sein.
  • Im Folgenden wird der jeweilige Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion als SCR-Katalysator bezeichnet. Die weiteren Abgasnachbehandlungseinrichtungen werden wie im Folgenden folgt bezeichnet: Oxidationskatalysatoren, bevorzugt Dieseloxidationskatalysatoren (DOC); Partikelfilter (DPF), bevorzugt Ummantelte Diesel Partikel Filter (CDPF); Stickstofffalle (LNT).
  • Günstig im Sinne der Erfindung ist, wenn der erste SCR-Katalysator motornah, also stromab des Turboladers, bevorzugt direkt hinter dessen Turbinenseite angeordnet ist. Zudem ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der erste SCR-Katalysator stromauf jeder anderen Abgasnachbehandlungseinrichtung (DOC, optional LNT, CDPF) angeordnet ist. Insofern ist bevorzugt vorgesehen, dass zwischen den beiden Katalysatoren und auch stromauf des zweiten Einbringelementes zumindest eine oxidative Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordnet ist, so dass beide Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion voneinander getrennt sind. Da die zumindest oxidativ wirkende Abgasnachbehandlungseinrichtung zwischen den beiden Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion angeordnet ist, wird auch das zweite Einbringelement erforderlich, da das Reduktionsmittel entlang der Abgaspfades oxidiert wird. Dieser bevorzugten Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass beispielsweise ein Diesel-Verbrennungsmotor bei geringer Betriebstemperatur einen signifikanten Betrag an NO2 erzeugt, wobei NO2 die Leistung des SCR-Katalysators verbessert, da die Reaktion des Ammoniak mit NO und NO2 schneller abläuft als die Reaktion des Ammoniak entweder lediglich mit NO oder lediglich mit NO2. Würde nun eine der Abgasnachbehandlungseinrichtungen (DOC, optional LNT, CDPF) vor dem SCR-Katalysator, insbesondere vor dem ersten SCR-Katalysator angeordnet, würde der größte Anteil des bei niedrigen Betriebstemperaturen erzeugten NO2-Betrages aufgrund der Reaktion mit dem im Abgas enthaltenen Kohlenstoffmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffen (HC) in NO umgewandelt. Wenn in dem Abgasstrang als erste Abgasnachbehandlungseinrichtung aber kein Oxidationskatalysator, wie z.B. der DOC angeordnet ist, verzögert sich aufgrund der hohen thermischen Masse des SCR-Katalysators die Umwandlung des CO und des HC bei dem Kaltstart des Verbrennungsmotors. Dies kann zu erhöhten Abgaswerten führen, so dass die gesetzlich vorgeschriebenen Abgaswerte überschritten werden könnten.
  • Hier setzt die Erfindung an, indem der erste SCR-Katalysator, dem keinerlei Abgasnachbehandlungseinrichtung vorgeschaltet ist, von Abgasen umgehbar ist, was mittels des Bypass erreicht wird, in dem der erste SCR-Katalysator angeordnet ist. So ist erreicht, dass die Abgase direkt in den DOC strömen können, ohne den ersten SCR-Katalysator zu durchströmen, wenn das Steuerelement in dem Abgaspfad geöffnet ist. Hat der DOC seine Betriebstemperatur erreicht, so dass CO und HC oxidiert werden können, schließt das Steuerelement, so dass die Abgase nun über den Bypass durch den ersten SCR-Katalysator und stromab des Steuerelementes in den Abgaspfad zurückströmen können, so dass zunächst die NOx-Bestandteile konvertiert werden können, bevor die Abgase die weiteren Abgasnachbehandlungseinrichtungen (DOC, optional LNT, CDPF, 2.SCR) erreichen.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass das Steuerelement erneut geöffnet werden kann, was zielführend dann der Fall sein kann, wenn der zweite SCR-Katalysator eine genügend hohe Temperatur erreicht hat, um NOx zu konvertieren. Öffnet das Steuerelement, wird der erste SCR-Katalysator nicht mehr von Abgasen durchströmt. So ist ein frühzeitiges Altern des ersten SCR-Katalysators verhindert, was natürlich auch einen Austausch desselben im Vergleich zu einem ständig durchströmten ersten SCR-Katalysator verzögert. So kann der Hersteller des Fahrzeuges positiv auf die seitens der Verbraucher festgestellte Qualität der Fahrzeuge einwirken. Dadurch, dass der erste SCR-Katalysator von Abgasen umgangen wird, verringert sich auch der Abgaswiderstand, so dass der Teil der zur Verfügung stehende Leistung des Verbrennungsmotors, welcher zur Überwindung des größeren Abgaswiderstandes genutzt werden musste, nun dem Antriebsstrang zur Verfügung gestellt werden kann, was sich zudem noch in einer Kraftstoffersparnis auswirkt.
  • Zielführend ist auch, wenn der erste SCR-Katalysator ein geringeres Volumen hat als der zweite SCR-Katalysator. Insofern wird mit der Erfindung ein kleiner SCR-Katalysator mit einem großen SCR-Katalysator kombiniert, wobei der erste SCR-Katalysator motornah, bevorzugt direkt hinter dem Turbolader, und der zweite SCR-Katalysator motorfern an bekannter Stelle unterhalb des Unterbodens des Fahrzeuges montiert werden kann. Die unterschiedlichen Volumina der SCR-Katalysatoren sind auch deswegen möglich, da der erste SCR-Katalysator lediglich für eine bestimmte Phase des Verbrennungsmotors aktiv ist, also von Abgasen durchströmt wird. Hat der zweite SCR-Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht, werden die Abgase durch Öffnen des Steuerelementes in dem Abgaspfad stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung dieser direkt zugeführt, ohne dass der erste SCR-Katalysator von Abgasen durchströmt wird.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass vor dem jeweiligen SCR-Katalysator jeweils ein Einbringelement zum Einbringen von Ammoniak oder eines Vorläufers davon, z.B. wässrigen Harnstoff angeordnet ist. Die Versorgung der Einbringelemente ist bekannt, weswegen darauf nicht weiter eingegangen wird. Das jeweilige Einbringelement kann auch als Injektor bezeichnet werden, und ist in Ausgestaltung und Ansteuerung an sich bekannt.
  • Möglich ist, das erste Einbringelement stromauf des ersten SCR-Katalysators, aber auch stromauf des optionalen Turboladers in dem Abgaskrümmer anzuordnen. Möglich ist auch, das erste Einbringelement stromab des Turboladers direkt hinter diesem anzuordnen. Zielführend ist, wenn das Einbringelement stromauf des ersten SCR-Katalysators in dem Bypass angeordnet ist. Ist ein Turbolader vorhanden, ist das Einbringelement dabei ebenfalls stromab diesem aber auch direkt hinter diesem angeordnet. Das zweite Einbringelement ist zweckmäßiger Weise stromab der oxidativen Abgaskomponente und stromauf des zweiten SCR-Katalysators angeordnet.
  • Bei der Erfindung wird also der erste SCR-Katalysator eher seine Betriebstemperatur nach einem Kaltstart erreichen. Dies auch deshalb, weil das Volumen des ersten SCR-katalysators reduziert ist. Somit kann auch eine Einleitung, also ein Einspritzen von Ammoniak oder einem Vorläufer davon stromauf des ersten SCR-Katalysators erfolgen. Bevorzugt wird wässriger Harnstoff eingespritzt. Der erste SCR-Katalysator ist sehr nah an dem Verbrennungsmotor, bevorzugt an einem Dieselmotor angeordnet, wobei der erste SCR-Katalysator in einem Bypass angeordnet ist, so dass die Abgase erst durch den ersten SCR-Katalysator strömen, wenn das Steuerelement geschlossen ist, so dass auch erst dann ein Einspritzen wässrigen Harnstoffs generiert wird. Selbstverständlich kann das Steuerelement auch in dem Bypass angeordnet sein, wobei der erste SCR-Katalysator umgangen wird. Ist das Steuerelement geschlossen ist auch der Bypass geschlossen, so dass die Abgase durch den SCR-Katalysator strömen. Ist das Steuerelement geöffnet, strömen die Abgase über den Bypass an dem ersten SCR-Katalysator vorbei direkt in die folgende Abgasnachbehandlungseinrichtung, was bevorzugt ein DOC ist. Ein weiterer Effekt der Erfindung ist darin zu sehen, dass wesentlich mehr Ammoniak oder wässriger Harnstoff eingespritzt werden kann, als zur Konversion von NOx mittels Ammoniak im ersten, motornahen SCR-Katalysator benötigt wird, wobei die Konversionseffektivität so verbessert wird. Die Umwandlung von wässrigem Harnstoff zum notwendigen Ammoniak ist allgemein bekannt. Selbstverständlich wird dabei nicht der gesamte Ammoniakbetrag verbraucht, so dass der Ammoniaküberschuss im DOC/CDPF oxidierbar ist, oder in dem zweiten, motorfernen SCR-Katalysator absorbiert wird.
  • Mit der Erfindung kann der zweite, motorferne SCR-Katalysator zur eigentlichen NOx-Konversion bei hohen Temperaturen (über 200°C) herangezogen werden. Ist diese Temperatur erreicht, kann das Einspritzen von Ammoniak oder dessen Vorläufer stromauf des ersten, motornahen SCR-Katalysators unterbunden oder weitergeführt werden. Ein Effekt ist darin zusehen, dass der Injektor weiter gekühlt wird, da bei der motornahen Anordnung im Betrieb des Dieselmotors erhebliche Temperaturbelastungen vorherrschen. Natürlich können auch andere Kühlmöglichkeiten in Betracht gezogen werden. Ein anderer Effekt kann darin gesehen werden, dass Ammoniak im motornahen ersten SCR-Katalysator gespeichert werden kann, so dass für den nächsten Kaltstart des Dieselmotors bereits eine erforderliche Menge an Ammoniak im ersten, motornahmen SCR-Katalysator vorhanden ist.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zusehen, dass die beiden SCR-Katalysatoren jeweils eine unterschiedliche Ummantelung aufweisen können. Der motornahe erste SCR-Katalysator kann z.B. ein besonders temperaturbeständiger sein, wobei eine Fe-Ummantelung bevorzugt ist. Der motorferne, zweite SCR-Katalysator dagegen kann besonders temperaturempfindlich ausgeführt sein, wobei bevorzugt eine Cu-Ummantelung denkbar ist.
  • Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine Prinzipielle Ansicht eines Abgasreinigungssystems,
    • 2 ein Temperaturdiagramm, und
    • 3 ein Diagramm zur Stickoxidumwandlung.
  • In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
  • 1 zeigt ein Abgasreinigungssystem 1 in einer prinzipiellen Ansicht. Das Abgasreinigungssystem 1 weist Abgasnachbehandlungseinrichtungen 2,3,4,5 auf, welche in einem Abgaspfad 6 eines Verbrennungsmotors, bevorzugt eines Dieselmotors angeordnet sind. Der Verbrennungsmotor kann einen Turbolader aufweisen.
  • Die Abgasnachbehandlungseinrichtungen 2,3,4,5 sind als ein erster Katalysator 2 zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR), beispielhaft als ein Oxidationskatalysator (DOC) 3, z.B. als ein Partikelfilter (DPF) 4 und als ein zweiter Katalysator 5 zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) aufeinander folgend in dem Abgaspfad 6 angeordnet. Zudem sind zwei Einbringelemente 7 und 8 zum Einbringen eines reduzierenden Wirkstoffes (Reduktionsmittel) jeweils stromauf des jeweiligen SCR-Katalysators 2,5 zur selektiven katalytischen Reduktion vorgesehen. Erfindungsgemäß ist der erste Katalysator 2 zur selektiven katalytischen Reduktion in einem Bypass 9 angeordnet ist, welcher ein Steuerelement 10 in dem Abgaspfad 6 stromauf einer der folgenden Abgasnachbehandlungseinrichtung, bevorzugt stromauf des DOC umgeht, und wobei das erste Einbringelement 7, welches dem ersten Katalysator 2 zur selektiven katalytischen Reduktion zugeordnet ist, stromauf des ersten Katalysators 2 zur selektiven katalytischen Reduktion motornah angeordnet ist.
  • Das zweite Einbringelement 8 ist stromauf des zweiten SCR-Katalysators 5 und stromab z.B. eines DPF 4 vorgesehen. Die Einbringelemente 7,8 können auch als Injektoren 7,8 bezeichnet werden, welche in bekannter Weise mit einem Speicher 11 verbunden sind. In dem Speicher 11 ist bevorzugt Harnstoff, weiter bevorzugt wässriger Harnstoff gespeichert. Der Harnstoff wird in bekannter Weise zu Ammoniak umgewandelt. Die Steuerung der Einbringelemente 7,8 erfolgt in bekannter Weise. Das erste Einbringelement 7 kann stromauf eines optionalen Turboladers direkt in dem Abgaskrümmer angeordnet sein. Die motornahe Anordnung fördert die Umwandlung in Ammoniak, da motornah auch nach einem Kaltstart sehr bald genügend hohe Abgastemperaturen vorhanden sind, welche höher sind als motorfern. Eine Anordnung direkt hinter dem Turbolader ist ebenfalls möglich. In 1 ist erkennbar, dass das Einspritzelement 7 in dem Bypass 9 angeordnet ist, wobei jedoch ebenfalls eine sehr motornahe Position des ersten Einspritzelementes angestrebt ist.
  • Das Steuerelement 10 kann ein Ventil sein, welches den Abgaspfad 6 vollständig öffnet oder schließt.
  • Schließt das Steuerelement 10, wird der Abgasstrom über den Bypass 9 durch den ersten SCR-Katalysator 2 zum DOC 3 und von dort den DPF 4 durchströmend zum zweiten SCR-Katalysator 5 geleitet. Insofern ist der erste SCR-Katalysator motornah angeordnet, wobei der zweite SCR-Katalysator motorfern angeordnet ist. Dabei ist der erste SCR-Katalysator bevorzugt direkt hinter dem optionalen Turbolader, also hinter dessen abgasseitigem Turbinenrad angeordnet. Ist kein Turbolader vorgesehen, ist der erste SCR-Katalysator noch näher an dem Abgaskrümmer montierbar. Der erste SCR-Katalysator ist also günstiger weise abgasseitig so nah wie möglich an dem Verbrennungsmotor angeordnet. Dies ist bezüglich der schnell erreichbaren Betriebstemperatur des ersten, motornahen SCR-Katalysators besonders günstig.
  • Der erste SCR-Katalysator 2 weist ein bezogen auf den zweiten SCR-Katalysator 5 geringeres Volumen auf, was sich wiederum vorteilhaft auf ein schnelles Erreichen seiner Betriebstemperatur auswirkt. Der erste SCR-Katalysator 2 ist nicht ständig im Abgasstrom abgeordnet, was sich vorteilhaft auf seinen Alterungsprozess auswirkt.
  • Bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors, also des Dieselmotors wird das Steuerelement zunächst geöffnet so dass die Abgase an dem ersten SCR-Katalysator vorbei direkt in den DOC strömen. Sobald die DOC-Temperatur genügend hoch ist, um ein CO und HC Oxidation gewährleisten zu können, wird das Steuerelement geschlossen, so dass die Abgase nun über den Bypass strömend den ersten SCR-Katalysator durchströmen, so dass die NOx-Konversion beginnen kann. Der zweite SCR-Katalysator hätte in diesem frühen Stadium nach dem Kaltstart noch nicht die notwendige Betriebstemperatur zur Umwandlung des NOx, was aber mittels des ersten SCR-Katalysators erreichbar ist.
  • Das Einspritzen von Ammoniak, bevorzugt von wässrigem Harnstoff wird entsprechend gesteuert.
  • Erreicht der zweite, motorferne SCR-Katalysator 5 seine Betriebstemperatur, kann das Steuerelement 10 geöffnet werden, so dass die Abgase nun den ersten, motornahen SCR-Katalysator 2 umgehend direkt in den DOC geleitet werden.
  • Wird der erste motornahe SCR-Katalysator 2 von dem Abgasen nicht durchströmt, ist ersichtlich, dass auch dessen Alterungsprozess unterbrochen ist. So ist der erste, motornahe SCR-Katalysator 2 langlebiger als motornah angeordnete SCR-Katalysatoren, welche ständig von Abgasen durchströmt werden. Möglich ist, dass das erste Einspritzelement 7, also der Injektor 7 jedoch weiterhin angesteuert wird, und Harnstoff einspritzt. So kann das Einspritzelement gekühlt werden, was aufgrund der motornahen Position und der damit einhergehenden hohen Temperaturbelastung zielführend ist. Wenn das Einspritzelement 7 weiterhin aktiv bleibt, und Harnstoff (oder Ammoniak) einspritzt, kann das entstehende Ammoniak in den DOC bzw. CDPF oxidiert werden oder von dem zweiten SCR-Katalysator absorbiert werden. In einer Ausgestaltung kann das entstehende Ammoniak auch in dem ersten SCR-Katalysator gespeichert werden, so dass dieses in dem ersten SCR-Katalysator gespeicherte Ammoniak bei einem erneuten Kaltstart sofort zur Verfügung steht.
  • 2 zeigt ein Temperaturdiagramm bei welchem der Temperaturunterschied des motornahen, ersten SCR-Katalysators 2 und des motorfernen, zweiten SCR-Katalysators erkennbar ist. Auf der X-Achse ist der Zeitverlauf in Sekunden nach dem Kaltstart angegeben, wobei die Y-Achse die Temperatur in Grad Celsius [°C] darstellt. Erkennbar ist, dass die Temperatur des motornahen, ersten SCR-Katalysators sehr schnell nach dem Kaltstart genügend hoch ist. Die Graphen der betreffenden SCR-Katalysatoren sind mittels des zugehörigen Bezugszeichens 2 und 5 gekennzeichnet.
  • 3 zeigt einen NOx Konversionsvergleich zwischen dem Stand der Technik und der erfindungsgemäßen Anordnung. Die X-Achse zeigt wiederum den Zeitverlauf nach dem Kaltstart in Sekunden. Die Y-Achse stellt die kumulierte NOx Menge in Gramm [g] dar. Die Linie 12 stellt die seitens des Dieselmotors erzeugte NOx-Menge dar, welche ohne Abgasnachbehandlung an die Umwelt entlassen würde. Die Linie 13 zeigt eine Abgasbehandlung nach dem Stand der Technik, bei welcher ein DOC, ein CDPF und ein motorferner SCR-Katalysator vorgesehen sind. Eine Reduzierung von 60% NOx ist erreichbar. Die Linie 14 zeigt eine NOx-Schätzung direkt stromab des ersten SCR-Katalysators 2, wobei die Linie 15 den nach der Erfindung zu erwartenden Gesamtausstoß NOx hinter dem zweiten SCR-Katalysator 5 zeigt. Eine Reduzierung von 85% ist mit der erfindungsgemäßen Anordnung und Schaltung des Steuerelementes erreichbar.
  • Mit der Erfindung wird so die NOx-Reduzierung im unteren Temperaturbereich, insbesondere nach einem Kaltstart des Dieselmotors erheblich verbessert.
  • Bezugszeichenliste
    • 1.
    Abgasreinigungssystem
    2
    motornaher, erster SCR-Katalysator
    3
    z.B. DOC
    4
    optional, z.B. DPF/CDPF
    5
    motorferner, zweiter SCR-Katalysator
    6
    Abgaspfad
    7
    Einbringelement/Injektor
    8
    Einbringelement/Injektor
    9
    Bypass
    10
    Steuerelement
    11
    Speicher

Claims (8)

  1. Abgasreinigungssystem, aufweisend einen Abgaspfad (6), in dem Abgasnachbehandlungseinrichtungen (2, 3, 4 ,5) wie ein erster Katalysator (2) zur selektiven katalytischen Reduktion, und ein zweiter Katalysator (5) zur selektiven katalytischen Reduktion angeordnet sind, wobei erste und zweite Einbringelemente (7, 8) zum Einbringen eines reduzierenden Wirkstoffes jeweils stromauf des jeweiligen Katalysators (2, 5) zur selektiven katalytischen Reduktion vorgesehen sind, wobei zwischen den beiden Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion (2, 5), aber stromauf eines zweiten Einbringelementes (8) Abgasnachbehandlungseinrichtungen (3, 4) wie ein Oxidationskatalysator (3) und ein Partikelfilter (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator (2) zur selektiven katalytischen Reduktion stromauf jeder anderen Abgasnachbehandlungseinrichtung (3, 4) wie ein Oxidationskatalysator (3) und ein Partikelfilter (4) in einem Bypass (9) angeordnet ist, welcher ein Steuerelement (10) in dem Abgaspfad (6) stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung (3, 4) umgeht, und wobei das erste Einbringelement (7), welches dem ersten Katalysator (2) zur selektiven katalytischen Reduktion zugeordnet ist, stromauf des ersten Katalysators (2) zur selektiven katalytischen Reduktion motornah angeordnet ist, wobei der erste Katalysator (2) zur selektiven katalytischen Reduktion selbst motornah angeordnet ist.
  2. Abgasreinigungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (10) geöffnet ist, so dass Abgase den ersten Katalysator (2) zur selektiven katalytischen Reduktion umgehend direkt in den Oxidationskatalysator (3) strömen, welcher stromauf des zweiten Katalysators (5) zur selektiven katalytischen Reduktion angeordnet ist.
  3. Abgasreinigungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (10) geschlossen ist, so dass Abgase über den Bypass (9) in den ersten Katalysator (2) zur selektiven katalytischen Reduktion stromauf des Oxidationskatalysators (3) in den Abgaspfad (6) zurückströmen.
  4. Abgasreinigungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator (2) zur selektiven katalytischen Reduktion ein geringeres Volumen hat als der zweite Katalysator (5) zur selektiven katalytischen Reduktion.
  5. Abgasreinigungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Einbringelement (7) in einem Abgaskrümmer angeordnet ist.
  6. Abgasreinigungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Einbringelement (7) direkt hinter einem Turbolader angeordnet ist.
  7. Abgasreinigungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Einbringelement (7) aktiv bleibt, auch wenn das Steuerelement (10) bei ausreichender Betriebstemperatur des zweiten Katalysators (5) zur selektiven katalytischen Reduktion geöffnet ist.
  8. Abgasreinigungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (10) geöffnet ist, wenn der zweite Katalysator (5) zur selektiven katalytischen Reduktion seine Betriebstemperatur erreicht hat.
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