DE102015013864B4 - Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung (1) zur Behandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine, aufweisend:
eine Abgasnebenführung (12), welche über einen Abgasabzweigungsabschnitt (8) und einem Abgaswiedereintrittsabschnitt (10) einer Abgashauptführung (2) mit der Abgashauptführung (2) fluidisch verbunden ist;
einen SCR-Nebenkatalysator (26), welcher in der Abgasnebenführung (12) angeordnet ist; und
wobei die Abgashauptführung (2) mit der Verbrennungskraftmaschine fluidisch verbunden ist;
wobei ein Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine zumindest teilweise in die Abgasnebenführung (12) geleitet ist und/oder zumindest teilweise durch die Abgashauptführung (2) geleitet ist; und
wobei der Abgaswiedereintrittsabschnitt (10) stromaufwärts eines in der Abgashauptführung (2) angeordneten SCR-Hauptkatalysators (22) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnebenführung (12) eine kleinere Strömungsquerschnittsfläche aufweist als eine Strömungsquerschnittsfläche der Abgashauptführung (2), wobei die Strömungsquerschnittsfläche der Abgasnebenführung (12) unter etwa 20% beträgt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine.
  • Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, emittieren Stickoxide (NOx). Diese können in einer Abgasnachbehandlung (AGN) reduziert werden, typischerweise durch selektive katalytische Reduktion (SCR) oder mittels eines NOx-Speicherkatalysators (NSK). Dies bedingt jedoch Mindesttemperaturen der Abgasnachbehandlung, beispielsweise von etwa 200°C, wobei höhere Temperaturen von über 250°C wünschenswert sein können. Die Erreichung dieser Mindesttemperaturen ist eine der zentralen Herausforderungen der Motorenentwicklung, insbesondere da gute Motorwirkungsgrade mit hohen Luftüberschüssen bei niedrigen Lasten zu niedrigen AGN-Temperaturen führen können.
  • Die DE 10 2014 201 077 A1 offenbart ein Abgasreinigungssystem, bei dem ein erster Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion stromauf jeder anderen Abgasnachbehandlungseinrichtung wie einem Oxidationskatalysator und einem Partikelfilter in einem Bypass angeordnet ist, welcher ein Steuerelement in dem Abgaspfad stromauf einer Abgasnachbehandlungseinrichtung umgeht, und wobei ein erstes Einbringelement zum Einbringen eines reduzierenden Wirkstoffes (Reduktionsmittel), welches dem ersten Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion zugeordnet ist, stromauf des ersten Katalysators motornah angeordnet ist. Ein zweiter Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion ist in dem Abgaspfad angeordnet, wobei zwischen den beiden Katalysatoren zur katalytischen Reduktion aber stromauf eines zweiten Einbringelementes zum Einbringen eines reduzierenden Wirkstoffes Abgasnachbehandlungseinrichtungen wie ein Oxidationskatalysator und ein Partikelfilter angeordnet sind.
  • Die DE 602 00 714 T2 offenbart eine Abgasreinigungseinrichtung für einen Dieselmotor mit einer Steuereinrichtung, die, wenn eine Abgastemperaturbereichserfassungseinrichtung erfasst, dass eine Abgastemperatur innerhalb eines vorbestimmten Tieftemperaturbereiches ist, eine Abgastemperaturerhöhungseinrichtung die Abgastemperatur erhöht und eine Kanalschalteinrichtung einen Kanal derart schaltet, dass das Abgas durch eine Bypassabgasleitung strömt und nachdem sie veranlasst hat, dass das Abgas durch eine zweite Abgasemissionsreinigungseinrichtung hindurchtritt, veranlasst, dass das Abgas durch eine erste Abgasreinigungseinrichtung tritt.
  • Die US 2008 / 0 264 042 A1 offenbart ein Verfahren zum Verringern von NOx in Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Leiten der Abgase entlang eines Abgaspfads zu einem Katalysator für selektive katalytische Reduktion (SCR), der stromab der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Das Verfahren enthält weiter ein derartiges Aktivieren einer Wärmequelle, wenn die Abgase unterhalb einer vorbestimmten Temperatur sind, dass die Abgase entlang eines Teilstücks des Abgaspfads auf eine Temperatur von 700 - 1.000°C erwärmt werden. Das Verfahren enthält weiter ein Einspritzen eines Reduktionsmittels in das Teilstück des Abgaspfads stromauf des SCR-Katalysators, um in dem Teilstück mit NOx in den Abgasen zu reagieren. Das Verfahren enthält weiter ein Deaktivieren der Wärmequelle, wenn die Temperatur der Abgase an dem Katalysator über eine vorbestimmte Temperatur ansteigen.
  • Die DE 10 2007 033 424 A1 offenbart ein selbstreinigendes Abgasnachbehandlungssystem zum Entfernen von Stickoxiden aus dem Abgas einer in einem Fahrzeug verbauten Brennkraftmaschine. Das Entfernen der Stickoxide mit Hilfe der selektiven katalytischen Reduktion erfolgt dabei derart, dass ein Ammoniak abspaltendes Reduktionsmittel stromauf eines SCR-Katalysators dem Abgas beigegeben wird und der SCR-Katalysator die im Abgas enthaltenen Stickoxide mit Hilfe des aus dem Reduktionsmittel freigesetzten Ammoniaks zumindest teilweise in Stickstoff und Wasserdampf überführt und Ablagerungen aus dem Abgasnachbehandlungssystem thermisch entfernt werden und wobei vom Abgasstrom wenigstens ein kleinerer Abgasteilstrom abzweigt, die Zumessung des Reduktionsmittels in den Abgasteilstrom erfolgt und der Abgasteilstrom stromab zur Zuführung des Reduktionsmittels wieder in den Abgasstrom mündet.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, welche auch bei guten Motorwirkungsgraden, hohen Luftüberschüssen und niedrigen Lasten schnell eine Mindesttemperatur der Abgasnachbehandlung erzielen kann.
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Gemäß eines Aspekts der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Behandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt, aufweisend: eine Abgasnebenführung, welche über einen Abgasabzweigungsabschnitt und einem Abgaswiedereintrittsabschnitt einer Abgashauptführung mit der Abgashauptführung fluidisch verbunden ist; und einen SCR-Nebenkatalysator, welcher in der Abgasnebenführung angeordnet ist; wobei die Abgashauptführung mit der Verbrennungskraftmaschine fluidisch verbunden ist; wobei ein Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine zumindest teilweise in bzw. durch die Abgasnebenführung geleitet ist und/oder zumindest teilweise in bzw. durch die Abgashauptführung geleitet ist. Erfindungsgemäß weist die Abgasnebenführung eine kleinere Strömungsquerschnittsfläche auf als eine Strömungsquerschnittsfläche der Abgashauptführung, und/oder der Abgaswiedereintrittsabschnitt ist stromaufwärts eines in der Abgashauptführung angeordneten SCR-Hauptkatalysators angeordnet. Die Abgashauptführung mit dem SCR-Hauptkatalysator muss nicht Teil der beanspruchten Vorrichtung sein. Vorzugsweise umfasst die beanspruchte Vorrichtung jedoch die Abgashauptführung und den SCR-Hauptkatalysator. Das Ventil ist vorzugsweise in dem Abgasabzweigungsabschnitt der Abgashauptführung angeordnet.
  • Vorzugsweise ist der Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine im Wesentlichen vollständig in bzw. durch die Abgasnebenführung geleitet oder im Wesentlichen vollständig in bzw. durch die Abgashauptführung geleitet.
  • Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung ein Ventil wobei das Ventil ansteuerbar ist, um den Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine im Wesentlichen vollständig in bzw. durch die Abgasnebenführung zu leiten oder im Wesentlichen vollständig in bzw. durch die Abgashauptführung zu leiten.
  • Vorteilhafterweise kann bei einer niedrigen Temperatur der SCR-Katalysatoren, insbesondere des SCR-Hauptkatalysators, das Abgas bzw. der Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine mittels des Ventils durch bzw. über die Abgasnebenführung geleitet werden, was zu einem schnellen Erwärmen bzw. Erhitzen des SCR-Nebenkatalysators führt, da aufgrund der geringeren Strömungsquerschnittsfläche der Abgasnebenführung der Abgasgegendruck gesteigert ist. Ferner ist die thermische Isolierbarkeit des Abgasnebenstromes und des SCR-Nebenkatalysators aufgrund der geringeren Strömungsquerschnittsfläche begünstigt. Die Erwärmung des SCR-Nebenkatalysators kann weiter beschleunigt werden, wenn der SCR-Nebenkatalysator entsprechend der kleineren Strömungsquerschnittsfläche der Abgasnebenführung auch kleiner ausgebildet wird als der SCR-Hauptkatalysator. Weiter vorteilhafterweise wird dadurch, dass der Abgaswiedereintrittsabschnitt stromaufwärts des SCR-Hauptkatalysators angeordnet ist, das Abgas von der Abgasnebenführung vor dem SCR-Hauptkatalysator in die Abgashauptführung zurückgeleitet und durchströmt diesen, so dass trotz der Umleitung des Abgases durch die Abgasnebenführung auch der SCR-Hauptkatalysator erwärmt wird. Der erhöhte Abgasgegendruck wirkt sich auch positiv auf die Erwärmung des SCR-Hauptkatalysators aus.
  • Bei der Verbrennungskraftmaschine kann es sich insbesondere um einen Dieselmotor handeln. Die Abgashauptführung nimmt die Abgase von den Auslässen der Verbrennungskraftmaschine auf, wobei die Abgashauptführung beispielsweise direkt mit der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere mit den Auslässen der jeweiligen Zylinder davon, verbunden sein kann, oder beispielsweise mit einem Ausgang eines Abgasrohrkrümmers verbunden sein kann. Die Abgashauptführung und die Abgasnebenführung können rohrförmig ausgebildet sein, wobei das Querschnittsprofil nicht auf eine bestimmte Form beschränkt ist. Die Abgashauptführung weist einen Abgasabzweigungsabschnitt und einen Abgaswiedereintrittsabschnitt auf, wobei ein Ende der Abgasnebenführung mit dem Abgasabzweigungsabschnitt und das andere Ende der Abgasnebenführung mit dem Abgaswiedereintrittsabschnitt fluidisch verbunden ist. Das mit dem Abgasabzweigungsabschnitt verbundene Ende der Abgasnebenführung ist das Abgaseintrittsende der Abgasnebenführung, und das mit dem Abgaswiedereintrittsabschnitt verbundene Ende der Abgasnebenführung ist das Abgasaustrittsende der Abgasnebenführung. Der Abgasabzweigungsabschnitt und das Abgaseintrittsende sind stromaufwärts von dem Abgaswiedereintrittsabschnitt und dem Abgasaustrittsende angeordnet. Der SCR-Nebenkatalysator ist in der Abgasnebenführung zwischen dem Abgaseintrittsende und dem Abgasaustrittsende angeordnet. Der Begriff „stromaufwärts“ bzw. „stromabwärts“ ist im Hinblick auf die Strömungsrichtung des Abgases in den Abgasführungen im Betriebszustand definiert. Die Abgashauptführung und/oder die Abgasnebenführung können einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein.
  • Der SCR-Hauptkatalysator und der SCR-Nebenkatalysator sind Katalysatoren, die auf dem Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion (SCR) beruhen. Eine Einspritzeinheit zum Einspritzen eines Reduktionsmittels, insbesondere von Adblue bzw. Harnstoff, kann beispielsweise zentral in der Abgashauptführung vor dem Abgasabzweigungsabschnitt vorgesehen sein, es kann jedoch auch für jeden der SCR-Katalysatoren jeweils eine separate Einspritzeinheit vorgesehen sein. Der SCR-Hauptkatalysator und/oder der SCR-Nebenkatalysator kann als SCRT- bzw. SCRI-Katalysator ausgebildet sein, bei dem Partikelabscheidung und NOx-Reduzierung auf einem Substrat gebündelt ist. Die SCR-Katalysatoren sind derart in der Abgashauptführung bzw. -nebenführung angeordnet, dass sie von dem Abgas durchströmt werden. Um den nötigen Raum zum Aufnehmen der SCR-Katalysatoren bereitzustellen, können die Abgashauptführung und/oder die Abgasnebenführung einen aufgeweiteten Abschnitt aufweisen.
  • Das Ventil kann klappenförmig ausgebildet bzw. als Klappenventil ausgebildet sein. Das Ventil kann zwischen einer ersten Lage, in der das Abgaseintrittsende der Abgasnebenführung im Wesentlichen vollständig geöffnet ist und die Abgashauptführung im Wesentlichen vollständig verschlossen ist, und einer zweiten Lage, in der die Abgashauptführung im Wesentlichen vollständig geöffnet ist und vorzugsweise das Abgaseintrittsende der Abgasnebenführung im Wesentlichen vollständig verschlossen ist, verlagert werden. In der ersten Lage des Ventils wird der Abgasstrom im Wesentlichen vollständig in die Abgasnebenführung geleitet und strömt am Abgaswiedereintrittsabschnitt wieder in die Abgashauptführung hinein. In der zweiten Lage des Ventils wird der Abgasstrom im Wesentlichen vollständig durch die Abgashauptführung geleitet, ohne durch die Abgasnebenführung zu strömen. Je nach Anordnung des Ventils in der Abgashauptführung kann in der zweiten Lage ein geringer Anteil des Abgasstromes durch die Abgasnebenführung strömen, insbesondere wenn in der zweiten Lage das Abgaseintrittsende der Abgasnebenführung nicht durch das Ventil verschlossen wird. Das Ventil kann auch ausgebildet sein, eine Zwischenlage zwischen der ersten Lage und der zweiten Lagen einnehmen zu können, in der ein Teil des Abgasstromes durch die Abgasnebenführung und ein anderer Teil des Abgasstromes durch die Abgashauptführung geleitet wird. Insbesondere kann das Ventil stufenlos verstellbar sein, um ein gewünschtes Verhältnis zwischen dem durch die Abgasnebenführung strömenden Teil und dem durch die Abgashauptführung strömenden Teil des Abgases einzustellen. Zur Ansteuerung des Ventils kann die Vorrichtung eine Steuerungseinheit aufweisen.
  • Mit Strömungsquerschnittsfläche ist die innere Querschnittsfläche der Abgasführung quer zur Erstreckungsrichtung bzw. Axialrichtung der Abgasführung gemeint. In anderen Worten ist die Strömungsquerschnittsfläche die Fläche des Querschnitts des in der Abgashauptführung bzw. Abgasnebenführung strömenden Abgasstromes quer zur Strömungsrichtung des Abgasstromes. Bei einem veränderlichen Querschnitt der Abgashauptführung bzw. der Abgasnebenführung ist mit „Strömungsquerschnittsfläche“ im Sinne der Erfindung ein Durchschnittswert der inneren Querschnittsfläche entlang der Erstreckungsrichtung der Abgashauptführung bzw. der Abgasnebenführung gemeint. Die Strömungsquerschnittsfläche der Abgasnebenführung ist kleiner dimensioniert als die Strömungsquerschnittsfläche der Abgashauptführung. Entsprechend kann der SCR-Nebenkatalysator kleiner dimensioniert sein als der SCR-Hauptkatalysator.
  • Die Strömungsquerschnittsfläche der Abgasnebenführung beträgt unter etwa 20%, besonders bevorzugt unter etwa 10% der Strömungsquerschnittsfläche der Abgashauptführung.
  • Vorzugsweise beträgt die Strömungsquerschnittsfläche der Abgasnebenführung mehr als etwa 5%, weiter bevorzugt mehr als 2% der Strömungsquerschnittsfläche der Abgashauptführung, besonders bevorzugt mehr als etwa 1 % der Strömungsquerschnittsfläche der Abgashauptführung, d.h. nicht kleiner als etwa 1 % der Strömungsquerschnittsfläche der Abgashauptführung.
  • Vorteilhafterweise kann durch die reduzierte Strömungsquerschnittsfläche ein erhöhter Abgasgegendruck in der Abgasnachbehandlung, d.h. in der Abgashauptführung und in der Abgasnebenführung, erzeugt werden, wodurch die Erwärmung des SCR-Nebenkatalysators und des SCR-Hauptkatalysators begünstigt wird. Die Strömungsquerschnittsfläche der Abgasnebenführung wird so gewählt, dass ein stabiler Betrieb der Verbrennungskraftmaschine möglich ist, auch wenn das Abgas im Wesentlichen vollständig durch die Abgasnebenführung strömt. Um den Abgasgegendruck nicht zu stark zu erhöhen, kann eine Strömungsquerschnittfläche der Abgasnebenführung von über etwa 1 % und von unter etwa 10% der Strömungsquerschnittsfläche der Abgashauptführung angemessen sein. Entsprechend der reduzierten Strömungsquerschnittsfläche in der Abgasnebenführung kann der SCR-Nebenkatalysator eine Masse von unter etwa 40%, weiters bevorzugt unter etwa 20% der Masse des SCR-Hauptkatalysators aufweisen, besonders bevorzugt unter etwa 10% der Masse des SCR-Hauptkatalysators aufweisen. Eine geringe Masse des SCR-Nebenkatalysators ist besonders vorteilhaft, da dies ein schnelles Aufheizen des SCR-Nebenkatalysators ermöglicht. Um einen hinreichenden NOx-Reduzierungseffekt zu erzielen, kann eine Masse des SCR-Nebenkatalysators bevorzugt von über etwa 5% der Masse des SCR-Hauptkatalysators angemessen sein, besonders bevorzugt von über etwa 1 % der Masse des SCR-Hauptkatalysators angemessen sein.
  • Die Strömungsquerschnittsfläche der Abgasnebenführung wird so gewählt, dass ein stabiler Betrieb der Verbrennungsmaschine bis zu einem Mitteldruck von vorzugsweise mindestens 5 bar, besonders bevorzugt mindestens etwa 10 bar möglich ist, auch wenn der Abgasgegendruck bei einer kleinen Strömungsquerschnittsfläche der Abgasnebenführung stark ansteigt und beispielsweise über 1000 mbar relativ zur Umgebung betragen kann.
  • Vorzugsweise weist die Vorrichtung weiter eine elektrische Heizeinheit zum Aufheizen des SCR-Nebenkatalysators auf.
  • Vorteilhafterweise kann durch die elektrische Heizeinheit erreicht werden, dass der SCR-Nebenkatalysator noch schneller auf die nötige Mindesttemperatur erwärmt wird und/oder dass der SCR-Nebenkatalysator auf einer gewünschten Temperatur um die nötige Mindesttemperatur gehalten wird. Die Mindesttemperatur kann beispielsweise etwa 200°C betragen. Insbesondere bei einem kleiner dimensionierten SCR-Nebenkatalysator erfolgt die Erwärmung auf die Mindesttemperatur besonders schnell und/oder es können vorteilhafterweise leistungsschwächere und/oder günstigere Heizeinheiten verwendet werden, und der Energieverbrauch kann gesenkt werden. Zwar kann auch eine elektrische Heizeinheit zum Aufheizen des SCR-Hauptkatalysators vorgesehen sein, jedoch weist die Vorrichtung vorzugsweise ausschließlich eine elektrische Heizeinheit zum Aufheizen des SCR-Nebenkatalysators auf.
  • Vorzugsweise ist eine Einspritzeinheit zum Einspritzen eines Reduktionsmittels, insbesondere von Adblue, in der Abgasnebenführung stromaufwärts des SCR-Nebenkatalysators angeordnet.
  • Vorteilhafterweise wird durch die direkte Einspritzung des Reduktionsmittels in die Abgasnebenführung eine besonders effiziente Verwendung des Reduktionsmittels ermöglicht. Mit Adblue ist Harnstoff gemeint, der für die selektive katalytische Reduktion verwendet wird. Die Einspritzung bzw. Eindüsung kann für eine gleichmäßige Erwärmung ringförmig erfolgen, oder es kann sich um eine Stern- oder Venturi-Einspritzung handeln.
  • Vorzugsweise ist die Vorrichtung ausgelegt, bei einer Temperatur des SCR-Hauptkatalysators unterhalb einer vorbestimmten oder vorbestimmbaren Grenztemperatur den Abgasstrom mittels des Ventils im Wesentlichen vollständig in die Abgasnebenführung zu leiten.
  • Vorteilhafterweise können mit der obigen Konfiguration die NOx-Ausstöße minimiert werden, da bei kaltem SCR-Hauptkatalysator der Abgasstrom im Wesentlichen vollständig über die Abgasnebenführung und durch den SCR-Nebenkatalysator geleitet wird, welcher sich deutlich schneller erwärmt bzw. erhitzt. Sobald sich der SCR-Hauptkatalysator auf bzw. über die Grenztemperatur erwärmt hat, kann der Abgasstrom über die Abgashauptführung geleitet werden. Als Grenztemperatur des SCR-Hauptkatalysators kann beispielsweise etwa 180°C oder etwa 200°C gewählt werden.
  • Vorzugsweise ist die Vorrichtung ausgelegt, bei einem Abgasgegendruck in der Abgashauptführung oberhalb eines vorbestimmten oder vorbestimmbaren Grenzgegendrucks den Abgasstrom mittels des Ventils im Wesentlichen vollständig durch die Abgashauptführung zu leiten.
  • Vorteilhafterweise kann mit der obigen Konfiguration verhindert werden, dass sich ein zu hoher Druck in den Abgasführungen aufbauen kann, welcher zu Schäden führen könnte. Bei einem Abgasgegendruck oberhalb des Grenzgegendrucks kann der Abgasstrom im Wesentlichen vollständig durch die Abgashauptführung geleitet werden, auch wenn die Temperatur des SCR-Hauptkatalysators unterhalb der Grenztemperatur liegt.
  • Der Grenzgegendruck kann beispielsweise bei etwa 3000 mbar liegen. Zur Erfassung des Abgasgegendrucks kann die Vorrichtung einen Drucksensor aufweisen, welcher beispielsweise in der Abgashauptführung stromaufwärts des Abgasabzweigungsabschnitts angeordnet ist. Bei einem variabel einstellbaren Ventil kann die Vorrichtung auch ausgelegt sein, bei einem Abgasgegendruck in der Abgashauptführung oberhalb des Grenzgegendrucks den Abgasstrom teilweise über die Abgashauptführung und teilweise über die Abgasnebenführung zu leiten, derart, dass der Abgasgegendruck unterhalb des Grenzgegendrucks fällt.
  • Vorzugsweise umfasst der SCR-Nebenkatalysator ein Vanadium-Vollextrudat und/oder Eisenzeolith und/oder Kupferzeolith. Vorzugsweise ist der SCR-Nebenkatalysator, insbesondere ein SCR-Substrat des SCR-Nebenkatalysators, mit einer Vanadiumbeschichtung und/oder einer Eisenzeolithbeschichtung und/oder einer Kupferzeolithbeschichtung ausgeführt.
  • Vorteilhafterweise können die effektiven, doch kostenintensiven, Materialien wie Vanadium-Vollextrudat oder Eisenzeolith für den SCR-Nebenkatalysator verwendet werden, welcher deutlich kleiner ausgeführt werden kann als der SCR-Hauptkatalysator. Dadurch ist der Kostenaufwand deutlich reduziert gegenüber dem Fall, dass Vanadium-Vollextrudat oder Eisenzeolith für den SCR-Hauptkatalysator verwendet wird. Vorzugsweise umfasst der SCR-Hauptkatalysator daher kein Vanadium-Vollextrudat oder Eisenzeolith. Für den SCR-Hauptkatalysator kann beispielsweise ein preiswerter Vanadium-Kat verwendet werden.
  • Vorzugsweise ist des Weiteren ein Ammoniaksperrkatalysator in der Abgasnebenführung angeordnet.
  • Vorteilhafterweise kann der insbesondere im Kaltbetrieb effektive, jedoch kostenintensive Ammoniaksperrkatalysator (ASK) in der Abgasnebenführung besonders wirkungsvoll eingesetzt werden. Denn der ASK wird lediglich für den Kaltstart verwendet, und kann in der Abgasnebenführung entsprechend klein dimensioniert angeordnet werden.
  • Vorzugsweise kann jeder SCR-Katalysator, d.h. der SCR-Hauptkatalysator und/oder der SCR-Nebenkatalysator und/oder der SCR-Vorkatalysator eine Hydrolyseeinrichtung aufweisen.
  • Weiterhin vorzugsweise kann jeder Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung ausgeführt sein. Insbesondere können somit der Partikelfilter und der SCR-Hauptkatalysator als eine Einheit ausgebildet sein und als SPDF bezeichnet sein.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit damit fluidisch verbundener Vorrichtung gemäß einem Aspekt der Erfindung. Alternativ oder zusätlich kann die Vorrichtung an der Verbrennungskraftmaschine angeordnet sein oder Bestandteil der Verbrennungskraftmaschine sein.
  • Ein Aspekt der Erfindung kann auch eine Verbrennungskraftmaschine, eine Abgashauptführung und eine Vorrichtung gemäß einem Aspekt der Erfindung betreffen.
  • Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren näher beschrieben. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist, und dass einzelne Merkmale der Ausführungsformen zu weiteren Ausführungsformen kombiniert werden können.
  • Es zeigen:
    • 1 eine Skizze einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung;
    • 2 eine Skizze einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung;
    • 3 eine Skizze einer dritten Ausführungsform der Vorrichtung;
    • 4 eine Skizze einer vierten Ausführungsform der Vorrichtung;
    • 5 eine Skizze einer fünften Ausführungsform der Vorrichtung; und
    • 6 eine Skizze einer sechsten Ausführungsform der Vorrichtung.
  • 1 zeigt eine Skizze einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung 1. Die Vorrichtung 1 weist eine Abgashauptführung 2 mit einem motorseitigen Ende 4 und einem auspuffseitigen Ende 6 auf. Das motorseitige Ende 4 kann beispielsweise mit einer Verbrennungskraftmaschine (nicht gezeigt) direkt fluidisch verbunden sein, oder mit einem Ausgang eines Abgaskrümmers (nicht gezeigt) der Verbrennungskraftmaschine. Die Verbrennungskraftmaschine kann beispielsweise ein Dieselmotor sein. Das auspuffseitige Ende 6 kann mit weiteren Komponenten der Abgasanlage verbunden sein, oder zur Umgebung hin geöffnet sein. Das von der Verbrennungskraftmaschine kommende Abgas strömt von dem motorseitigen Ende 4 zum auspuffseitigen Ende 6.
  • Die Abgashauptführung 2 weist einen Abgasabzweigungsabschnitt 8 und einen Abgaswiedereintrittsabschnitt 10 auf. Über den Abgasabzweigungsabschnitt 8 und den Abgaswiedereintrittsabschnitt 10 ist eine Abgasnebenführung 12 der Vorrichtung 1 in Form eines Bypasses fluidisch mit der Abgashauptführung 2 verbunden. Mittels eines in der Abgashauptführung 2 angeordneten Ventils 14 kann die Abgasmenge, die durch die Abgashauptführung 2 und die Abgasnebenführung 12 strömt, eingestellt werden. Das Ventil 14 ist klappenförmig ausgebildet und ist schwenkbar in der Abgashauptführung 2 gelagert. Mittels einer Steuerungseinheit (nicht gezeigt) kann das Ventil 14 in eine erste Lage, in der die Abgashauptführung 2 im Wesentlichen vollständig durch das Ventil 14 verschlossen ist, in eine zweite Lage, in der die Abgashauptführung 2 im Wesentlichen vollständig geöffnet ist, sowie in jede beliebige Zwischenlage verlagert werden. In den Figuren ist das Ventil 14 stets in der ersten Lage gezeigt. In der ersten Lage wird durch die blockierte Abgashauptführung 2 der Abgasstrom im Wesentlichen vollständig in bzw. durch die Abgasnebenführung 12 geleitet. Da in der ersten Ausführungsform, wie auch in der dritten bis sechsten Ausführungsform, das Ventil 14 in bzw. an dem Abgasabzweigungsabschnitt 8 angeordnet ist, wird in der zweiten Lage ein Abgaseintrittsende der Abgasnebenführung 12 durch das Ventil 14 im Wesentlichen vollständig verschlossen. Das Abgaseintrittsende der Abgasnebenführung 12 ist an dem Abgasabzweigungsabschnitt 8 mit der Abgashauptführung 2 verbunden, und ein Abgasaustrittsende der Abgasnebenführung 12 ist an dem Abgaswiedereintrittsabschnitt 10 mit der Abgashauptführung 2 verbunden.
  • In der Abgashauptführung 2 ist eine Turbine 16 eines Abgasturboladers angeordnet, und zwar zwischen dem motorseitigen Ende 4 der Abgashauptführung 2 und dem Abgasabzweigungsabschnitt 8. Die Turbine 16 ist jedoch nicht zwingend notwendig. In allen Ausführungsformen kann die Turbine 16 beispielsweise stromaufwärts des motorseitigen Endes 4 der Abgashauptführung 2 angeordnet werden, oder komplett weggelassen werden. Zwischen dem Abgasabzweigungsabschnitt 8 bzw. dem Ventil 14 und dem Abgaswiedereintrittsabschnitt 10 ist ein Oxidationskatalysator 18 in der Abgashauptführung 2 angeordnet. Stromabwärts des Abgaswiedereintrittabschnitts 10 ist ein Partikelfilter 20, beispielsweise ein Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung (SDPF), in der Abgashauptführung 2 angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 20 ist ein SCR-Hauptkatalysator 22 in der Abgashauptführung 2 angeordnet. Der SCR-Hauptkatalysator 22 kann zusätzlich eine Hydrolyse und/oder einen NH3 Schlupfkat aufweisen.
  • Die Abgasnebenführung 12 weist eine kleinere Strömungsquerschnittsfläche auf als die Strömungsquerschnittsfläche der Abgashauptführung 2. Die Strömungsquerschnittsfläche der Abgasnebenführung weist etwa 20% der Strömungsquerschnittsfläche der Abgashauptführung 2 auf, bevorzugt etwa 10%. In der Abgasnebenführung 12 ist eine Einspritzeinheit 24 zum Einspritzen eines Reduktionsmittels, insbesondere Adblue, stromabwärts des Abgasabzweigungsabschnitts 8 bzw. des Abgaseintrittsendes angeordnet. Alternativ kann die Einspritzeinheit 24 auch in der Abgashauptfühurng 2 stromaufwärts des Abgasabzweigungsabschnitts 8 angeordnet sein. Stromabwärts der Einspritzeinheit 24 ist ein SCR-Nebenkatalysator 26 in der Abgasnebenführung 12 angeordnet, wobei dem SCR-Nebenkatalysator 26 eine elektrische Heizeinheit 28 zum Aufheizen bzw. Erwärmen des SCR-Nebenkatalysators 26 vorgeschaltet sein kann. Der SCR-Nebenkatalysator 26 ist wesentlich kleiner ausgebildet als der SCR-Hauptkatalysator 22. Die Masse des SCR-Nebenkatalysators 26 kann beispielsweise etwa zwischen 1% und 10%der Masse des SCR-Hauptkatalysators 22 betragen. Es ist auch denkbar, dass die Masse weniger als 1% der Masse des SCR-Hauptkatalysators 22 beträgt.
  • Vorteilhafterweise erlaubt die Ausführungsform gemäß 1 eine frühe Entnahme des Abgases direkt nach der Turbine 16, d.h. bei (noch) hoher Temperatur des Abgases. Vorzugsweise wird das Ventil 14 nicht vollständig geschlossen, so dass auch der Oxidationskatalysator 18 mittels des verbleibenden Abgasstroms erwärmt wird. Vorzugsweise ist eine weitere Einspritzeinheit (nicht gezeigt) ähnlich zur Einspritzeinheit 24 stromabwärts des Oxidationskatalysators 18 und stromaufwärts des Partikelfilters 20 in der Abgashauptführung 2 angeordnet.
  • 2 zeigt eine Skizze einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung 1. Der Unterschied der zweiten Ausführungsform zur ersten Ausführungsform liegt ausschließlich darin, dass der Abgasabzweigungsabschnitt 8 stromaufwärts der Turbine 16 angeordnet ist. Die Lage des Ventils 14 ist gegenüber der ersten Ausführungsform jedoch unverändert. Da das Ventil 14 nicht in bzw. an dem Abgasabzweigungsabschnitt 8 angeordnet ist, verschließt das Ventil 14 in der zweiten Lage nicht das Abgaseintrittsende der Abgasnebenführung 12. So wird auch in der zweiten Lage des Ventils 14 ein kleiner Anteil des Abgasstromes durch die Abgasnebenführung 12 geleitet. Falls dies nicht erwünscht ist, kann beispielsweise ein weiteres Ventil in der Abgasnebenführung 12 angeordnet werden, welches die Abgasnebenführung 12 verschließen kann. Alternativ kann auch das Ventil 14 stromaufwärts der Turbine 16 in dem Abgasabzweigungsabschnitt 8 angeordnet werden.
  • Vorteilhafterweise erlaubt die Ausführungsform gemäß 2 eine frühe Entnahme des Abgases vor der Turbine 16, d.h. bei (noch) hoher Temperatur des Abgases. Vorzugsweise wird das Ventil 14 nicht vollständig geschlossen, so dass auch der Oxidationskatalysator 18 mittels des verbleibenden Abgasstroms erwärmt wird. Vorzugsweise ist eine weitere Einspritzeinheit (nicht gezeigt) ähnlich zur Einspritzeinheit 24 stromabwärts des Oxidationskatalysators 18 und stromaufwärts des Partikelfilters 20 in der Abgashauptführung 2 angeordnet.
  • 3 zeigt eine Skizze einer dritten Ausführungsform der Vorrichtung 1. Der Unterschied der dritten Ausführungsform zur ersten Ausführungsform liegt ausschließlich darin, dass der Abgasabzweigungsabschnitt 8 und das Ventil 14 darin zwischen dem Oxidationskatalysator 18 und dem Abgaswiedereintrittsabschnitt 10 angeordnet ist.
  • Vorteilhafterweise erlaubt die Ausführungsform gemäß 3 eine sehr schnelle Erwärmung des Oxidationskatalysators 18.
  • 4 zeigt eine Skizze einer vierten Ausführungsform der Vorrichtung 1. Der Unterschied der vierten Ausführungsform zur dritten Ausführungsform liegt ausschließlich darin, dass die Anordnungsposition des Partikelfilters 20 und des SCR-Hauptkatalysators 22 vertauscht ist. So ist in der vierten Ausführungsform der SCR-Hauptkatalysator 22 stromabwärts des Abgaswiedereintrittsabschnitts 10 und stromaufwärts des Partikelfilters 20 angeordnet.
  • Es ist auch möglich, dass in den in 1 - 4 gezeigten Ausführungsformen die Reihenfolge von Partikelfilter 20 und SCR-Hauptkatalysator 22 vertauscht sind. IN anderen Worten kann gemäß einer Ausführungsform der Partikelfilter 20 stromaufwärts des SCR-Hauptkatalysators 22 in der Abgashauptführung angeordnet sein. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der Partikelfilter 20 stromabwärts des SCR-Hauptkatalysators 22 in der Abgashauptführung angeordnet sein.
  • 5 zeigt eine Skizze einer fünften Ausführungsform der Vorrichtung 1. Der Unterschied der fünften Ausführungsform zur ersten Ausführungsform liegt zunächst darin, dass zwischen dem Abgasabzweigungsabschnitt 8 und dem Abgaswiedereintrittsabschnitt 10 kein Oxidationskatalysator, sondern stattdessen ein SCR-Vorkatalysator 30 angeordnet ist. Der SCR-Vorkatalysator 30 stellt einen zusätzlichen SCR-Katalysator in der Abgashauptführung 2 dar. Anstelle eines SCR-Vorkatalysators 30 kann auch ein Partikelfilter mit SCR Beschichtung angeordnet sein. Der SCR-Vorkatalysator 30 wird jedoch nicht durch das Abgas erwärmt, wenn das Abgas über die Abgasnebenführung 12 strömt, sondern nur, wenn das Ventil 14 die Abgashauptführung 2 zumindest teilweise öffnet. Gemäß der fünften Ausführungsform ist der Oxidationskatalysator 18 stromabwärts des Abgaswiedereintrittsabschnitts 10 angeordnet, und der SCR-Hauptkatalysator 22 ist stromabwärts des Oxidationskatalysators 18 angeordnet.
  • Vorteilhafterweise erlaubt die Ausführungsform gemäß 5 eine sehr schnelle Erwärmung des SCR-Vorkatalysators 30.
  • 6 zeigt eine Skizze einer sechsten Ausführungsform der Vorrichtung 1. Der Unterschied der sechsten Ausführungsform zur fünften Ausführungsform liegt ausschließlich darin, dass der Abgaswiedereintrittsabschnitt 10 nicht zwischen dem SCR-Vorkatalysator 30 und dem Oxidationskatalysator 18, sondern stattdessen zwischen dem Oxidationkatalysator 18 und dem SCR-Hauptkatalysator 22 angeordnet ist.
  • Insbesondere in der fünften und sechsten Asuführungsform ist es möglich, dass die Einspritzeinheit 24, die Adblue einspritzt, alternativ oder zusätzlich in der Abgashauptführung angeordnet ist.. Insbesondere kann zu jedem SCR Katalysator gesondert oder gemeinsam eine Einspritzeinheit 24 angeordnet sein. Es ist jedoch darauf zu achten, dass eine Einspritzeinheit 24 stromaufwärts - in der gleichen Abgasführung - zum Oxidationskatalysator 18 vermieden wird. In anderen Worten gilt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, dass, falls in der Abgashauptführung ein Oxidationskatalysator 18 angeordnet ist, jede Einspritzeinheit 24 in der Abgashauptführung stromabwärts des Oxidationskatalysators 18 angeordnet ist. Sofern jedem SCR Katalysator eine gesonderte Einspritzeinheit 24 zugeordent ist, kann auch eine Einspritzeinheit 24 stromaufwärts des Oxidationskatalysators 18 in der gleichen Abgasführung angeordnet sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vorrichtung
    2
    Abgashauptführung
    4
    motorseitiges Ende
    6
    auspuffseitiges Ende
    8
    Abgasabzweigungsabschnitt
    10
    Abgaswiedereintrittsabschnitt
    12
    Abgasnebenführung
    14
    Ventil
    16
    Turbine
    18
    Oxidationskatalysator
    20
    Partikelfilter
    22
    SCR-Hauptkatalysator
    24
    Einspritzeinheit
    26
    SCR-Nebenkatalysator
    28
    elektrische Heizeinheit
    30
    SCR-Vorkatalysator

Claims (11)

  1. Vorrichtung (1) zur Behandlung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine, aufweisend: eine Abgasnebenführung (12), welche über einen Abgasabzweigungsabschnitt (8) und einem Abgaswiedereintrittsabschnitt (10) einer Abgashauptführung (2) mit der Abgashauptführung (2) fluidisch verbunden ist; einen SCR-Nebenkatalysator (26), welcher in der Abgasnebenführung (12) angeordnet ist; und wobei die Abgashauptführung (2) mit der Verbrennungskraftmaschine fluidisch verbunden ist; wobei ein Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine zumindest teilweise in die Abgasnebenführung (12) geleitet ist und/oder zumindest teilweise durch die Abgashauptführung (2) geleitet ist; und wobei der Abgaswiedereintrittsabschnitt (10) stromaufwärts eines in der Abgashauptführung (2) angeordneten SCR-Hauptkatalysators (22) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnebenführung (12) eine kleinere Strömungsquerschnittsfläche aufweist als eine Strömungsquerschnittsfläche der Abgashauptführung (2), wobei die Strömungsquerschnittsfläche der Abgasnebenführung (12) unter etwa 20% beträgt.
  2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine im Wesentlichen vollständig in die Abgasnebenführung (12) geleitet ist oder im Wesentlichen vollständig durch die Abgashauptführung (2) geleitet ist.
  3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, umfassend ein Ventil (14) wobei das Ventil (14) ansteuerbar ist, um den Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine im Wesentlichen vollständig in die Abgasnebenführung (12) zu leiten oder im Wesentlichen vollständig durch die Abgashauptführung (2) zu leiten.
  4. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Strömungsquerschnittsfläche der Abgasnebenführung (12) unter etwa 10% der Strömungsquerschnittsfläche der Abgashauptführung (2) beträgt.
  5. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter aufweisend eine elektrische Heizeinheit (28) zum Aufheizen des SCR-Nebenkatalysators (26).
  6. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Einspritzeinheit (24) zum Einspritzen eines Reduktionsmittels, insbesondere von Adblue, in der Abgasnebenführung (12) stromaufwärts des SCR-Nebenkatalysators (26) angeordnet ist.
  7. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) ausgelegt ist, bei einer Temperatur des SCR-Hauptkatalysators (22) unterhalb einer vorbestimmten oder vorbestimmbaren Grenztemperatur den Abgasstrom mittels des Ventils (14) im Wesentlichen vollständig in die Abgasnebenführung (12) zu leiten.
  8. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) ausgelegt ist, bei einem Abgasgegendruck in der Abgashauptführung (2) oberhalb eines vorbestimmten oder vorbestimmbaren Grenzgegendrucks den Abgasstrom mittels des Ventils (14) im Wesentlichen vollständig durch die Abgashauptführung (2) zu leiten.
  9. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der SCR-Nebenkatalysator (26) ein Vanadium-Vollextrudat und/oder Eisenzeolith und/oder Kupferzeolith umfasst.
  10. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei des Weiteren ein Ammoniaksperrkatalysator in der Abgasnebenführung (12) angeordnet ist.
  11. Verbrennungskraftmaschine umfassend eine Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.
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