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Die Erfindung betrifft eine Abgasbehandlungsvorrichtung und ein Verfahren zur Abgasbehandlung für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für einen Dieselmotor.
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Zur Erfüllung der Euro-6-Abgasnorm findet bei leichten Fahrzeugen, also beispielsweise Personenkraftwagen, im Serieneinsatz ein aktiver NOx-Speicherkatalysator (NSC) zur Stickoxidreduktion Verwendung.
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Für schwere Fahrzeuge (beispielsweise Lastkraftwagen) ist ein aktiver NOx-Speicherkatalysator aufgrund der höheren Stickoxidemissionen nicht mehr ausreichend, sodass zusätzlich ein aktiver SCR-Katalysator am Unterboden des Fahrzeugs verbaut wird. Um die gewünschte selektive katalytische Reaktion durchzuführen, wird dem SCR-Katalysator eine Ammoniak liefernde Substanz, meistens eine wässrige Harnstofflösung, zugeführt, wobei im SCR-Katalysator das Ammoniak mit den Stickoxiden zu molekularem Stickstoff und Wasser reagiert.
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Bei aktiven NOx-Speicherkatalysatoren ist ein Adsorbermaterial vorgesehen, meist in Form einer Beschichtung, das eine gewisse Menge an Stickoxiden chemisch binden kann. Ist die Aufnahmekapazität des Katalysators erschöpft, muss der Katalysator regeneriert werden, wobei durch ein Fettgasangebot die eingespeicherten Stickoxide mit Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen im Abgas zu molekularem Stickstoff und Kohlendioxid reagieren. Um genügend Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe im Abgasstrom bereitzustellen, wird für die Regenerationsphase die Verbrennungskraftmaschine mit einem fetten Gemisch mit λ < 1 betrieben. Nachteilig ist dabei unter anderem, dass eine Regenerierung nicht im Leerlauf erfolgen kann, da dabei der Motor nicht gleichmäßig laufen würde und somit Vibrationen im Fahrzeuginnenraum spürbar wären.
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Anstelle von aktiven NOx-Speicherkatalysatoren lassen sich auch passive NOx-Speicherkatalysatoren verwenden, bei denen die Stickoxide lediglich gespeichert, aber nicht chemisch umgesetzt werden. Ist die Speicherkapazität des Katalysators erschöpft, kann er durch Erhitzen auf eine Temperatur von etwa 300°C wieder geleert werden, da ab einer Desorptionstemperatur von ca. 260°C die Stickoxide aus dem Katalysatormaterial wieder desorbieren. Mit einem passiven NOx-Speicherkatalysator lässt sich daher nur eine zeitweise Reduktion der Stickoxide im Abgas erreichen. Zudem ist die Abgabe der Stickoxide nicht kontrollierbar, da sie bei hohen Abgastemperaturen spontan erfolgt.
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In der gattungsgemäßen
DE 103 08 287 B4 ist beschrieben, einen NO
x-Speicherkatalysator, der mit einem Oxidationskatalysator verbunden ist, stromaufwärts eines SCR-Katalysators einzusetzen, dem eine wässrige Harnstofflösung als Ammoniak liefernde Substanz zugeführt wird. Werden aus dem NO
x-Speicherkatalysator bei Überschreiten der Desorptionstemperatur Stickoxide freigesetzt bzw. werden Stickoxide durch den NO
x-Speicherkatalysator hindurchgeleitet, weil dessen Speicherkapazität erschöpft ist, so werden diese im SCR-Katalysator umgesetzt und vollständig aus dem Abgas entfernt.
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Nachteilig bei dieser Anordnung ist jedoch, dass der passive NOx-Speicherkatalysator Stickoxide erst ab etwa einer Temperatur von 120°C zu speichern imstande ist. Die sogenannte Light off-Temperatur, also die Temperatur, ab der der Katalysator arbeitet, liegt beim SCR-Katalysator nochmals höher, die Umsetzung der Stickoxide setzt hier erst ab etwa 180°C ein. Bis zu dieser Abgastemperatur erfolgt also weder eine ausreichende Stickoxideinlagerung noch eine ausreichende Umsetzung in nicht reglementierte Substanzen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein derartiges Abgassystem zu verbessern und Stickoxidemissionen im Abgas der Verbrennungskraftmaschine zu reduzieren.
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Dies wird erfindungsgemäß mit einer Abgasbehandlungsvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einen Dieselmotor, erreicht, bei dem in einem Abgasstrang ein über eine Heizeinrichtung beheizbarer, passiver NOx-Speicherkatalysator integriert ist. Es ist ein dem passiven NOx-Speicherkatalysator nachgeschalteter SCR-Katalysator mit einer Vorrichtung zur Zufuhr einer NH3 freisetzenden Substanz vorgesehen, sowie eine Steuereinheit, die die Heizeinrichtung so steuert, dass der passive NOx-Speicherkatalysator unabhängig von einer durch die Verbrennungskraftmaschine vorgegebenen Abgastemperatur erhitzt werden kann. Durch das unabhängige Aufheizen des passiven NOx-Speicherkatalysator lässt sich auch bei niedrigen Abgastemperaturen etwa eine Stickoxidspeicherung oder eine Desorption von im passiven NOx-Speicherkatalysator gespeicherten Stickoxiden erreichen.
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Die Steuereinrichtung ist bevorzugt so ausgelegt, dass sie die Heizeinrichtung so betreiben kann, dass diese den passiven NOx-Speicherkatalysator auf eine Temperatur oberhalb einer Light-Off-Temperatur, aber unterhalb einer Desorptionstemperatur erhitzt. Im Gegensatz zur bekannten Vorrichtung wird so bei einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine die Zeitspanne bis zum Beginn der Stickoxidspeicherung deutlich verkürzt, da der passive NOx-Speicherkatalysator unabhängig von der Abgastemperatur auf eine Temperatur aufgeheizt wird, bei der eine Stickoxideinlagerung erfolgt.
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Vorzugsweise kann die Steuereinheit die Heizeinrichtung so betreiben, dass diese den passiven NOx-Speicherkatalysator durch die Heizeinrichtung auf eine Temperatur oberhalb dessen Desorptionstemperatur erhitzt. Auf diese Weise kann die Desorption der im passiven NOx-Speicherkatalysator eingespeicherten Stickoxide unabhängig von der jeweils vorherrschenden durch die Verbrennungskraftmaschine vorgegebenen Abgastemperatur veranlasst werden.
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Die Heizeinrichtung ist vorzugsweise elektrisch betrieben, insbesondere über eine bordeigene Stromversorgung.
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Vorzugsweise umfasst die Heizeinrichtung einen Heizkatalysator. Ein bekannter Heizkatalysator kann beispielsweise seine Betriebstemperatur nach einer kurzen Zeitspanne von etwa 15–60 Sekunden erreichen.
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Der passive NOx-Speicherkatalysator kann in die Heizeinrichtung integriert sein, beispielsweise in einen bekannten Heizkatalysator.
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Beispielsweise ist der passive NOx-Speicherkatalysator durch eine katalytisch wirkende Beschichtung in der Heizeinrichtung selbst, z. B. auf einem Heizkatalysator, gebildet.
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Die Heizeinrichtung kann dem passiven NOx-Speicherkatalysator aber auch vorgeschaltet sein, wobei sich der passive NOx-Speicherkatalysator möglichst direkt an die Heizeinrichtung anschließt. Insbesondere in diesem Fall kann die Heizeinrichtung in axialer Richtung deutlich kürzer ausgebildet sein als der passive NOx-Speicherkatalysator.
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Die Heizeinrichtung kann ausschließlich auf das Aufheizen des passiven NOx-Speicherkatalysators und/oder des Abgasstroms stromaufwärts des passiven NOx-Speicherkatalysators ausgelegt sein. Vorzugsweise ist die Heizeinrichtung jedoch auch selbst als passiver NOx-Speicherkatalysator ausgebildet, beispielsweise, indem er eine katalytisch aktive Beschichtung aufweist. Bevorzugt ist die Heizeinrichtung so angeordnet, dass sie auch den stromabwärts des passiven NOx-Speicherkatalysators liegenden SCR-Katalysator aufheizt, beispielsweise über das erwärmte durchströmende Abgas. Auf diese Weise ist auch der SCR-Katalysator nach einem Kaltstart früher betriebsbereit, da dieser schneller seine Betriebstemperatur von etwa 180°C erreicht.
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Hierzu beträgt der Abstand zwischen dem passiven NOx-Speicherkatalysator und dem SCR-Katalysator beispielsweise zwischen 100 und 1200 mm, wobei sich herausgestellt hat, dass ein Abstand (Strömungslänge) zwischen 200 und 400 mm besonders gute Werte liefert.
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Der passive NOx-Speicherkatalysator sollte möglichst nahe an der Verbrennungskraftmaschine platziert sein, beispielsweise unmittelbar hinter einem Turboladerflansch und vorzugsweise maximal 200 mm von der Verbrennungskraftmaschine entfernt (Strömungslänge), um eine möglichst hohe Abgastemperatur als Ausgangstemperatur zu erhalten.
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Die NH3 freisetzende Substanz kann wie bekannt eine wässrige Harnstofflösung sein, die beispielsweise unter der Marke AdBlue® im Handel erhältlich ist.
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Der SCR-Katalysator lässt sich mit einem Partikelfilter kombinieren und kann beispielsweise als katalytisch aktive Beschichtung auf einen Partikelfilter aufgebracht werden. Auf diese Weise sind die Abgasbehandlungsvorrichtung und das gesamte Abgassystem kompakter gestaltbar.
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Der Stickoxidausstoß wird auch mit einem Verfahren zur Abgasbehandlung mit einer oben beschriebenen Abgasbehandlungsvorrichtung reduziert, bei dem der passive NOx-Speicherkatalysator unabhängig von der Abgastemperatur auf eine Temperatur oberhalb dessen Light-Off-Temperatur erhitzt wird.
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In einem bevorzugten Verfahren wird der passive NOx-Speicherkatalysator bei einer Abgastemperatur, die nicht ausreichend ist, um den passiven NOx-Speicherkatalysator wenigstens auf dessen Light-Off-Temperatur aufzuheizen, auf eine Temperatur oberhalb einer Light-Off-Temperatur, aber unterhalb einer Desorptionstemperatur erhitzt. So kann der passive NOx-Speicherkatalysator auch bei Abgastemperaturen unterhalb der Light-Off-Temperatur mit einer Temperatur betrieben werden, bei der eine Stickoxideinlagerung erfolgt.
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In einem anderen bevorzugten Verfahren wird der passive NOx-Speicherkatalysator auf eine Temperatur oberhalb dessen Desorptionstemperatur erhitzt, sodass das die dort gespeicherten Stickoxide desorbieren.
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Das Erhitzen des passiven NOx-Speicherkatalysators über die aktuelle Abgastemperatur hinaus erfolgt dabei jeweils durch die Heizeinrichtung.
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Vorzugsweise wird der passive NOx-Speicherkatalysator so beheizt, dass dieser mindestens eine Temperatur von etwa 120°C aufweist.
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Der passive NOx-Speicherkatalysator kann direkt bei einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine auf zumindest die Light-Off-Temperatur aufgeheizt werden.
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Ist das Fahrzeug, in dem die Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, beispielsweise mit einer Start-Stopp-Automatik versehen, ist es möglich, den passiven NOx-Speicherkatalysator durchgehend oberhalb der Light-Off-Temperatur, also oberhalb von etwa 120°C zu halten, auch während der Fahrtunterbrechungen bei abgeschalteter Verbrennungskraftmaschine. Bei einem erneuten Starten der Verbrennungskraftmaschine können dann die entstehenden Stickoxide sofort aufgenommen werden. Dies gilt auch bei einem Hybridantrieb, bei dem die Verbrennungskraftmaschine bedarfsweise zugeschaltet wird.
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Auch wenn eine Umsetzung der Stickoxide im SCR-Katalysator bereits bei niedrigeren Temperaturen beginnt, wird dieser vorzugsweise in einem Normalbetrieb bei einer Temperatur von etwa 200°C und 500°C betrieben. Diese Temperatur wird hauptsächlich durch die vorherrschende Abgastemperatur vorgegeben.
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Im Betrieb bei höheren Abgastemperaturen über etwa 260°C, also ab der Desorptionstemperatur des passiven NOx-Speicherkatalysators, werden die dort gespeicherten Stickoxide wieder freigesetzt und im nachgeschalteten SCR-Katalysator direkt umgesetzt, sodass in diesem Fall der passive NOx-Speicherkatalysator stets höchstens teilweise beladen ist.
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Auf diese Weise steht im Normalfall beim nächsten Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine anfänglich zumindest ein Teil der Speicherkapazität des passiven NOx-Speicherkatalysators zur Aufnahme der Stickoxide zur Verfügung.
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Es wäre auch denkbar, einen Regenerationszyklus durchzuführen, der unabhängig vom Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine ist und bei dem gezielt kurz vor dem Abstellen der Verbrennungskraftmaschine, z. B. durch Vorsehen einer Abschaltverzögerung von wenigen Sekunden Dauer, eine thermische Regenerierung des passiven NOx-Speicherkatalysators durchgeführt wird, um Speicherkapazität für Stickoxide bereitzustellen.
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Der Betrieb der Heizeinrichtung kann bei niedrigen Abgastemperaturen grundsätzlich, vorteilhaft aber jedenfalls bis zum dauerhaften Erreichen einer über der Light-Off-Temperatur liegenden Abgastemperatur erfolgen. Dies gilt insbesondere, wenn die Heizeinrichtung so ausgelegt ist, dass sie auch den nachgeschalteten SCR-Katalysator auf seine Betriebstemperatur bringt.
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Passive NOx-Speicherkatalysatoren haben zudem die Eigenschaft, im Abgas enthaltene Schwefelverbindungen zu speichern. Dieser Schwefel muss wiederkehrend ausgetrieben werden. Als Richtwert kann ein Intervall von ca. 500 km angenommen werden. Die Schwefel-Regeneration geschieht prinzipiell mittels zwei Methoden: Rein thermisch bei hohen Temperaturen oberhalb von ca. 650°C bei magerem Abgas oder durch eine chemische Umsetzung mit Kohlenwasserstoffen bzw. Kohlenmonoxid in einem fetten Abgas, ebenfalls bei hohen Temperaturen. Die Zeitdauer für die Regeneration beträgt etwa zwischen 2 und 25 Minuten.
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Der passive NOx-Speicherkatalysator wird erfindungsgemäß bezüglich Stickoxid-Regeneration stets passiv betrieben, während eine Schwefel-Regeneration vorzugsweise mittels einer chemischen Umsetzung bei hohen Temperaturen mit einem fetten Abgasgemisch in geeigneten Abständen durchgeführt wird.
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Die hierzu notwendige hohe Temperatur des NOx-Speicherkatalysators kann durch die Heizeinrichtung erzeugt werden, während der Kohlenwasserstoffgehalt des Abgases durch eine geeignete Steuerelektronik der Verbrennungskraftmaschine vorgegeben werden kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Die einzige Figur zeigt eine schematische Ansicht eines Abgassystems mit einer erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung.
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1 zeigt ein Abgassystem 10 einer Verbrennungskraftmaschine 12, beispielsweise eines Dieselmotors eines Pkw oder Lkw, bei dem in einem Abgasstrang 14 eine Abgasbehandlungsvorrichtung 16 vorgesehen ist.
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Die Abgasbehandlungsvorrichtung 16 umfasst hier eine unmittelbar stromabwärts der Verbrennungskraftmaschine 12 angeordnete Heizeinrichtung 18 und einen passiven NOx-Speicherkatalysator 20, der durch die Heizeinrichtung 18 aufgeheizt werden kann.
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Die Heizeinrichtung 18 hat hier die Form einer schmalen, elektrisch beheizbaren Scheibe (hier angedeutet durch eine Heizwendel) mit einem identischen Querschnitt wie der passive NOx-Speicherkatalysator 20, aber nur einer Länge von ca. 15 mm und ist dem passiven NOx-Speicherkatalysator 20 direkt vorgeschaltet.
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In diesem Beispiel umfasst die Heizeinrichtung 18 einen Heizkatalysator 22, der eine NOx-adsorbierenden Beschichtung aufweist, sodass er als passiver NOx-Speicherkatalysator wirkt.
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Es wäre aber auch möglich, die Heizeinrichtung 18 nur zum Aufheizen des passiven NOx-Speicherkatalysators 20 einzusetzen. Auch denkbar wäre es, die Heizeinrichtung 18 komplett in den passiven NOx-Speicherkatalysator 20 zu integrieren und beide Bauteile zusammenzufassen.
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Die Heizeinrichtung 18 ist mit einer Steuereinheit 23 und einer Fahrzeugelektrik (nicht dargestellt) verbunden.
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Der passive NOx-Speicherkatalysator 20 ist in diesem Beispiel als eine katalytisch aktive Beschichtung auf einem Substrat aufgebracht.
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Es ist möglich, dass der Heizkatalysator 22 sowie gegebenenfalls auch der passive NOx-Speicherkatalysator 20 zusätzlich als Oxidationskatalysator wirkt, um Stickstoffmonoxid in Stickstoffdioxid umzuwandeln, oder auch eine andere weitere, geeignete Funktion erfüllt.
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Stromabwärts des passiven NOx-Speicherkatalysators 20 ist im Abgasstrang 14 ein SCR-Katalysator 24 angeordnet, der von dem vom passiven NOx-Speicherkatalysator 20 kommenden Abgas durchströmt wird.
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Dem SCR-Katalysator 24 wird durch eine Vorrichtung 26 eine wässrige Harnstofflösung als NH3 erzeugende Substanz zugeführt, die hier wie bekannt in den Abgasstrom direkt stromaufwärts des SCR-Katalysators 24 eingebracht wird.
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Der SCR-Katalysator 24 ist hier mit einem Partikelfilter kombiniert und ist als katalytisch aktive Beschichtung auf ein Substrat des Partikelfilters aufgebracht.
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Der SCR-Katalysator 24 befindet sich in diesem Beispiel in einem Abstand d stromabwärts des passiven NOx-Speicherkatalysators 20, der zwischen 100 und 1200 mm liegt und vorzugsweise zwischen 200 und 400 mm beträgt. Der Abstand d ist die Länge der jeweiligen Leitung an der Leitungsmittelachse gemessen und entspricht der Strömungslänge, die das Abgas zurücklegt.
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Der passive NOx-Speicherkatalysator 20 ist in diesem Beispiel unmittelbar an der Verbrennungskraftmaschine 12 zu Beginn des Abgasstrangs 14 angeordnet, beispielsweise unmittelbar nach einem Flansch eines Turboladers mit maximal etwa 200 mm Abstand zur Verbrennungskraftmaschine 12.
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Bei einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine 12 wird mit oder bereits vor dem Starten der Verbrennungskraftmaschine 12 die Heizeinrichtung 18 aktiviert, sodass der passive NOx-Speicherkatalysator 20 aufgeheizt wird, in diesem Fall auf eine Temperatur von etwa 120°C, sodass er seine Speicherkapazität für Stickoxide entfaltet.
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Durch die Heizwirkung wird auch das zum SCR-Katalysator 24 weiterströmende Abgas aufgeheizt, sodass auch dieser nach einer relativ kurzen Zeit seine unterste Betriebstemperatur (Light off-Temperatur) von etwa 180°C erreicht. Ab diesem Zeitpunkt erfolgt eine chemische Umsetzung der Stickoxide im SCR-Katalysator auf bekanntem Weg mit der zugeführten Harnstofflösung zu molekularem Stickstoff und Wasser, sodass das weiterströmende Abgas frei von Stickoxiden ist.
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Bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der SCR-Katalysator 24 seine Tätigkeit aufnimmt, werden die Stickoxide im passiven NOx-Speicherkatalysator 20 zwischengespeichert. Dessen Speicherkapazität ist entsprechend zu bemessen.
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Im Normalbetrieb der Verbrennungskraftmaschine 12 liegen die Abgastemperaturen höher, sodass der SCR-Katalysator mit einer Temperatur von etwa 200 bis 500°C betrieben wird.
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Ab einer Temperatur von etwa 260°C beginnt das im passiven NOx-Speicherkatalysator 20 gespeicherte Stickoxid von der katalytischen Beschichtung zu desorbieren. Ab einer Temperatur des passiven NOx-Speicherkatalysators 20 von etwa 260°C muss daher die Temperatur des SCR-Katalysators bei mindestens 180°C, besser bei etwa 200°C liegen, damit desorbierende Stickoxide zuverlässig im SCR-Katalysator 24 umgesetzt werden.
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Die hohen Betriebstemperaturen verhindern durch die ständig erfolgende Desorption eingelagerter Stickoxide eine vollständige Belegung des passiven NOx-Speicherkatalysators 20. Aus diesem Grund bleibt für einen erneuten Kaltstart meist eine Stickoxid-Speicherkapazität bestehen.
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Die Heizeinrichtung 18 wird in diesem Beispiel vorrangig betrieben, wenn die Abgastemperatur unter etwa 120–160°C sinkt. Die Abgastemperatur lässt sich beispielsweise durch einen nicht gezeigten Temperatursensor im Abgasstrang 14 erfassen.
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Es ist auch möglich, die Heizeinrichtung 18 gezielt einzusetzen, um Stickoxide aus dem passiven NOx-Speicherkatalysator 20 auszutreiben. In diesem Fall wird der passive NOx-Speicherkatalysator 20 durch die Heizeinrichtung 18 über seine Desorptionstemperatur erhitzt, sodass die gespeicherten Stickoxide freigesetzt werden. Diese werden dann im nachgeschalteten SCR-Katalysator 24 chemisch umgesetzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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