DE102015015634A1

DE102015015634A1 - Verfahren zur Abgasnachbehandlung und Abgasanlage

Info

Publication number: DE102015015634A1
Application number: DE102015015634.9A
Authority: DE
Inventors: Ortwin Balthes; Thomas Beckmann; Berthold Keppeler; Uwe Kronmüller; Siegfried Müller; Thorsten Woog
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2015-12-02
Filing date: 2015-12-02
Publication date: 2017-06-08
Also published as: WO2017092839A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Fahrzeugs, bei welchem das Abgas einer Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs mittels eines Partikelfilters (18) und mittels einer dem Partikelfilter (18) nachgeschalteten, zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ausgebildeten Abgasnachbehandlungseinrichtung (20) behandelt wird. Hierbei wird im Anschluss an ein Regenerieren des Partikelfilters (18) vorübergehend eine Menge eines für die selektive katalytische Reduktion vorgesehenen Reduktionsmittels erhöht, welche stromaufwärts des Partikelfilters (18) in das Abgas eingebracht wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Abgasanlage (10) für ein Fahrzeug.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Fahrzeugs. Hierbei wird das Abgas einer Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs mittels eines Partikelfilters und mittels einer dem Partikelfilter nachgeschalteten, zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ausgebildeten Abgasnachbehandlungseinrichtung behandelt. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine zur Durchführung des Verfahrens ausgebildete Abgasanlage für ein Fahrzeug.
Aktuelle und zukünftige Emissionsrichtlinien sehen eine deutliche Begrenzung der Emissionen von Verbrennungskraftmaschinen von Fahrzeugen vor, vor allem im Hinblick auf Kohlenwasserstoff (HC), Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NO_x) und die Emissionen von Partikeln (PM). Gleichzeitig fallen aufgrund des zunehmend geringeren Verbrauchs an Kraftstoff der Fahrzeuge die Abgastemperaturen für die katalytische Abgasnachbehandlung immer weiter ab. Abgasnachbehandlungskonzepte, bei welchen eine zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ausgebildete Abgasnachbehandlungseinrichtung und ein Partikelfilter vergleichsweise motornah in der Abgasanlage angeordnet sind, spielen daher eine wichtige Rolle, um diesen gestiegenen Anforderungen begegnen zu können. Als Partikelfilter kann hierbei insbesondere ein Partikelfilter mit einer integrierten SCR-Beschichtung (SCR = selective catalytic reduction, selektive katalytische Reduktion) zum Einsatz kommen. Auch die zukünftige Überprüfung von Abgasemissionen im realen Fahrbetrieb mittels einer PEMS-Messtechnik (PEMS = Portable Emission Measurement System, mobile Emissionsmessung) stellen in diesem Zusammenhang eine große Herausforderung dar.
Bei der SCR-Behandlung von Stickoxiden werden die Stickoxide in der entsprechenden Abgasnachbehandlungseinrichtung in einer selektiven katalytischen Reduktionsreaktion mit Ammoniak zu Stickstoff und Wasser umgesetzt. Das Ammoniak wird hierbei häufig aus Harnstoff gebildet, welcher in Form einer wässrigen Harnstofflösung in das heiße Abgas eingebracht wird. In dem heißen Abgas wird aus dem Harnstoff das Ammoniak gebildet.
Ein Partikelfilter mit integrierter SCR-Beschichtung (SDPF) muss analog zu einem konventionellen Partikelfilter in regelmäßigen Abständen thermisch regeneriert werden. Bei diesem Regenerieren wird der auf und in der Filterwand eingelagerte Ruß vollständig abgebrannt. Im Anschluss an eine Regeneration zeigt der Filter jedoch nicht seine volle Filtrationseffizienz. Zum Erreichen der vollen Filtrationsleistung ist es nämlich erforderlich, dass sich auf der Filterwand zuerst eine gewisse Rußschicht ausbildet.
In diesem Zusammenhang beschreibt die WO 2015/144273 A1 ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei welchem ein Partikelfilter nur teilweise regeneriert wird. Bei dieser Teilregeneration wird der Ruß nicht vollständig abgebrannt. Vielmehr wird die Regeneration so durchgeführt, dass die Rußschicht auf der Oberfläche der Filterwand zumindest teilweise erhalten bleibt.
Als nachteilig ist hierbei der Umstand anzusehen, dass ein solcher Partikelfilter stets einen erhöhten Strömungswiderstand aufweist, sodass der höhere Druckverlust des Filters zu einer Verringerung der von der Brennkraftmaschine zum Antreiben des Fahrzeugs zur Verfügung stellbaren Leistung führt. Zudem ist ein solches Betriebsverfahren nicht für fabrikneue, also noch vollständig unbenutzte Partikelfilter geeignet. Denn bei derartigen Partikelfiltern ist zwangsläufig noch keine Rußschicht vorhanden, welche die Filterwirkung des Filters verbessern könnte.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren der eingangs genannten Art und eine entsprechende Abgasanlage bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Abgasanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Fahrzeugs wird das Abgas einer Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs mittels eines Partikelfilters behandelt. Des Weiteren wird das Abgas des Fahrzeugs mittels einer Abgasnachbehandlungseinrichtung behandelt, welche dem Partikelfilter nachgeschaltet ist und welche zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ausgebildet ist.
Hierbei wird im Anschluss an ein Regenerieren des Partikelfilters vorübergehend eine Menge eines für die selektive katalytische Reduktion vorgesehenen Reduktionsmittels erhöht, welche stromaufwärts des Partikelfilters in das Abgas eingebracht wird. Überraschenderweise hat sich nämlich gezeigt, dass im Falle einer aktiven Dosierung des Reduktionsmittels, bei welchem es sich insbesondere um eine Harnstoff-Wasser-Lösung handeln kann, die Partikelemission der Abgasanlage niedriger ausfällt als ohne ein Einbringen des Reduktionsmittels in das Abgas. Mit anderen Worten trägt also das Einbringen des Reduktionsmittels in das Abgas stromaufwärts des Partikelfilters aktiv zur Verminderung des Partikelmasseausstoßes bei. Entsprechend ist ein verbessertes Verfahren geschaffen.
Dies ermöglicht es insbesondere, Partikelfilter mit einer Porengröße einzusetzen, welche ohne das vorübergehende Einbringen der erhöhten Menge des Reduktionsmittels unmittelbar nach dem vollständigen Regenerieren des Partikelfilters die Anforderungen bestimmter Abgastests im Hinblick auf die Partikelemission nicht einhalten würden. Diese Anforderungen werden aber eingehalten, indem bei dem verwendeten Partikelfilter mit der größeren Porengröße im Anschluss an das vollständige Regenerieren des Partikelfilters eine Zeitlang die Menge des in das Abgas stromaufwärts des Partikelfilters eingebrachten Reduktionsmittels erhöht wird. Des Weiteren kann bei jedem Regenerieren des Partikelfilters der Partikelfilter vollständig regeneriert werden, der Ruß also vollständig abgebrannt werden. Dadurch verringert sich der Gegendruck der Abgasanlage im Vergleich zu einem nicht vollständig regenerierten Partikelfilter. Dies ist im Hinblick auf die von der Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs zum Antreiben des Fahrzeugs zur Verfügung stellbare Leistung vorteilhaft.
Insbesondere wurde überraschenderweise beobachtet, dass durch diese Maßnahme die Partikelemission während der ersten Fahrkilometer nach dem Regenerieren verringert werden kann.
Die Menge des stromaufwärts des Partikelfilters in das Abgas eingebrachten Reduktionsmittels ist insbesondere bezogen auf eine im Normalbetrieb der Abgasanlage eingebrachte Menge, beispielsweise bezogen auf die im Durchschnitt vor dem Regenerieren eingebrachte Menge an Reduktionsmittel erhöht.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass direkt im Anschluss an eine vollständige Partikelfilterregeneration der Partikelfilter noch nicht seine volle Filtrationseffizienz zeigt. Dies liegt daran, dass zunächst nur eine Tiefenfiltration stattfindet, bei welcher die Partikel beim Durchströmen der Poren in den Wänden der Filtermatrix dort in der Filtermatrix angelagert werden. Erst mit zunehmender Beladung des Partikelfilters bildet sich auf einer der Oberflächen der Kanäle ein Filterkuchen aus. Bei der dann einsetzenden Oberflächenfiltration ist eine deutliche Zunahme der Filtrationseffizienz zu beobachten. Gerade in der Phase, in der lediglich die Tiefenfiltration stattfindet, kann durch eine Erhöhung der in das Abgas eingebrachten Menge an Reduktionsmittel, insbesondere durch eine Erhöhung der Dosierung der Harnstoff-Wasser-Lösung, der Effekt einer solchen Dosierung auf die Emissionen an Partikeln genutzt werden. So kann die vorübergehend niedrigere Filtrationseffizienz des Partikelfilters ausgeglichen werden und dennoch wird insgesamt eine niedrigere Partikelemission erreicht.
Der durch das vorübergehende Erhöhen der Menge des in das Abgas eingebrachten Reduktionsmittels bewirkte Mehrverbrauch an Reduktionsmittel ist zu vernachlässigen. Dies liegt einerseits daran, dass ein Regenerieren des Partikelfilters in der Regel lediglich alle 500 Kilometer bis 1000 Kilometer Fahrstrecke des Fahrzeugs durchgeführt wird. Auch das vorübergehende Erhöhen der in das Abgas eingebrachten Menge an Reduktionsmittel bei einem Neuwagen mit brandneuem oder fabrikneuem Partikelfilter (oder nach einem Austausch des Partikelfilters) fällt im Hinblick auf die ohnehin zum Reduzieren der Stickoxide in das Abgas einzubringende Menge an Reduktionsmittel nicht ins Gewicht.
Damit kein dauerhaft erhöhter Verbrauch an Reduktionsmittel vorliegt, hat es sich als vorteilhaft gezeigt, das Einbringen der erhöhten Menge des Reduktionsmittels in das Abgas bei Erfülltsein wenigstens eines Abbruchkriteriums zu beenden. Hierbei können unterschiedliche Abbruchkriterien in Betracht gezogen werden.
So kann das Einbringen der erhöhten Menge des Reduktionsmittels in das Abgas beendet werden, wenn ein Druckverlust zwischen einem ersten Messpunkt stromaufwärts des Partikelfilters und einem zweiten Messpunkt stromabwärts des Partikelfilters einen vorbestimmten Wert erreicht. Es kann also über das Gegendruckverhalten des Partikelfilters, welches sich mit zunehmender Rußbeladung ändert, der Zeitpunkt detektiert werden, an welchem die Tiefenfiltration in die Oberflächenfiltration übergeht. Zusätzlich oder alternativ kann der zeitliche Verlauf des Druckverlusts überwacht werden und das Einbringen der erhöhten Menge beendet werden, wenn der zeitliche Verlauf des Druckverlusts wenigstens einem vorbestimmten Kriterium entspricht. Wird nämlich der Druckverlust als Funktion der Zeit erfasst und somit der zeitliche Verlauf des Druckverlusts ermittelt, so stellt man am Übergang von der Tiefenfiltration zur Oberflächenfiltration ein Abknicken in einer den Verlauf des Druckverlusts angebenden Kurve fest. Entsprechend kann durch Überwachen des Druckverlusts beziehungsweise des Differenzdrucks zwischen den beiden Messpunkten auf besonders einfache und zuverlässige Weise festgestellt werden, wann der Partikelfilter seine volle Filtrationseffizienz erreicht hat. Mit Erreichen dieser vollen Filtrationsleistung braucht dann keine erhöhte Menge an Reduktionsmittel mehr in das Abgas eingebracht zu werden, sondern lediglich die übliche Menge.
Zusätzlich oder alternativ kann die Erhöhung der Dosierung auch zeitgesteuert oder kraftstoffmassengesteuert zurückgenommen werden. Entsprechend kann das Einbringen der erhöhten Menge des Reduktionsmittels in das Abgas dann beendet werden, sobald eine Masse an nach dem Regenerieren des Partikelfilters in die Verbrennungskraftmaschine eingebrachtem Kraftstoff einen vorbestimmten Wert erreicht hat. Zusätzlich oder alternativ kann das Einbringen der erhöhten Menge des Reduktionsmittels in das Abgas nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne beendet werden. Derartige Verfahren lassen sich steuerungstechnisch oder regelungstechnisch besonders einfach umsetzen.
Zusätzlich oder alternativ kann das Einbringen der erhöhten Menge des Reduktionsmittels in das Abgas beendet werden, sobald mittels eines das Einlagern von Ruß in den Partikelfilter beschreibenden Modells ein vorbestimmter Zustand des Partikelfilters ermittelt wurde. Es kann also mittels eines Rußrohemissionsmodells beziehungsweise Filtrationsmodells der Zustand des Partikelfilters modelliert werden. Auch ein solches Verfahren ist besonders einfach durchführbar. Es können auch mehrere der oben genannten Abbruchkriterien berücksichtigt werden, um besonders zuverlässig das Erreichen der vollen Filtrationseffizienz des Partikelfilters zu bestimmen.
Bevorzugt wird ein stöchiometrisches Verhältnis, welches die in das Abgas eingebrachte Menge des Reduktionsmittels auf die Emission an Stickoxiden bezieht, im Anschluss an das Regenerieren vorübergehend auf einen Wert von mehr als 1 erhöht. Insbesondere kann dieser Wert α, welcher das Verhältnis der dosierten NH₃-Menge bezogen auf die NO_x-Emissionen angibt, unmittelbar im Anschluss an die Regeneration des Partikelfilters auf einen Wert zwischen α = 1,5 und α = 3 erhöht werden. Durch ein Erhöhen der Menge des in das Abgas eingebrachten Reduktionsmittels in derartigen Größenordnungen lässt sich eine besonders wirksame Reduktion der Partikelemission während des Erhöhens der Dosierung erreichen.
Durch das Erhöhen der Dosiermenge etwa der Harnstoff-Wasser-Lösung steigt die für die SCR-Reaktion zur Verfügung gestellte Reduktionsmittelmenge an, obwohl diese Menge zu dem entsprechenden Zeitpunkt gar nicht für den NO_x-Umsatz in der Abgasnachbehandlungseinrichtung benötigt wird.
Entsprechend hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn nach dem vorübergehenden Erhöhen der Menge des in das Abgas eingebrachten Reduktionsmittels die Menge auf ein unterstöchiometrisches Verhältnis verringert wird, wobei das Verhältnis die in das Abgas eingebrachte Menge des Reduktionsmittels auf die Emission an Stickoxiden bezieht. Es kann also die zusätzliche Menge über die Speicherfähigkeit der zur selektiven katalytischen Reduktion ausgebildeten Abgasnachbehandlungseinrichtung gepuffert werden. Über ein Modell, welches die Ammoniakbeladung der Abgasnachbehandlungseinrichtung angibt, kann also festgestellt werden, wie lange das Reduktionsmittel in dem unterstöchiometrischen Verhältnis zugegeben werden kann, um das vorübergehende Erhöhen der Menge wieder auszugleichen. Dadurch lässt sich ein vorübergehender Mehrverbrauch an Reduktionsmittel zumindest weitgehend, insbesondere vollständig, kompensieren.
Zusätzlich oder alternativ kann aus der Abgasnachbehandlungseinrichtung austretendes Reduktionsmittel mittels eines nachgeschalteten Katalysators umgewandelt werden. Es kann also stromabwärts der für die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden ausgebildeten Abgasnachbehandlungseinrichtung ein sogenannter Ammoniak-Sperrkatalysator vorgesehen sein, welcher das Ammoniak in N₂ und H₂O umsetzt oder umwandelt. Durch das Vorsehen eines solchen Ammoniak-Sperrkatalysators oder Ammoniak-Schlupfkatalysators wird ein Austreten von Ammoniak in die Umgebung vermieden.
Alternativ kann in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens während des vorübergehenden Erhöhens der Menge des in das Abgas eingebrachten Reduktionsmittels auch die NOx-Rohemission der Verbrennungskraftmaschine erhöht werden, beispielsweise durch eine Absenkung einer Abgasrückführrate in die Verbrennungskraftmaschine, was zusätzlich zu einer Verhinderung eines Ammoniak-Durchbruchs eine Absenkung der CO₂-Emission zur Folge hat.
Des Weiteren kann in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens während des vorübergehenden Erhöhens der Menge des in das Abgas eingebrachten Reduktionsmittels eine Partikelrohemission der Verbrennungskraftmaschine angehoben werden, beispielsweise durch eine Erhöhung einer Abgasrückführrate in die Verbrennungskraftmaschine, und so ein schnellerer Aufbau eines Rußkuchens im Partikelfilter, welcher zu einer verbesserten Abscheideleistung des Partikelfilters führt, erreicht werden, ohne dass sich die Partikelemission nach dem Partikelfilter hierdurch verschlechtert. Eine Zeitdauer bis ein regenerierter Partikelfilter eine maximale Partikelfiltereffizienz erreicht, kann somit deutlich verkürzt werden, was insgesamt zu einer niedrigen Partikelemission des Fahrzeugs führt.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn mit zunehmender Betriebsdauer des Partikelfilters in Abhängigkeit von wenigstens einem Parameter die Menge des Reduktionsmittels verringert wird, welche nach dem jeweiligen Regenerieren des Partikelfilters stromaufwärts des Partikelfilters in das Abgas eingebracht wird. Es kann also die Betriebsstrategie mit zunehmender Laufzeit des Partikelfilters angepasst werden.
Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit zunehmender Laufzeit des Partikelfilters die steigende Ascheeinlagerung in die Filterwand die schlechtere Filtrationseffizienz während der Tiefenfiltration ausgleicht. Die Asche, also die unverbrannten Rückstände des in dem Partikelfilter zurückgehaltenen Rußes, wird nämlich nur teilweise mit dem Abgas aus dem Partikelfilter ausgetragen. Die Erhöhung der Dosierung der Harnstoff-Wasser-Lösung oder eines derartigen Reduktionsmittels nach der vollständigen Partikelfilterregeneration kann daher mit steigender Aschebeladung des Partikelfilters schrittweise zurückgenommen werden. Dadurch kann ein Mehrverbrauch an Reduktionsmittel über die Laufzeit des Partikelfilters verringert werden.
Als Parameter oder Führungsgröße kann insbesondere die Anzahl der bisher durchgeführten Regenerationen des Partikelfilters und/oder ein die Alterung des Partikelfilters beschreibender Faktor und/oder die anhand eines Modells des Partikelfilters ermittelte Aschebeladung des Filters herangezogen werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Betrieb der Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs beziehungsweise der Abgasanlage als Parameter herangezogen werden, wobei die Laufzeit der Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise des Fahrzeugs und/oder die von dem Fahrzeug zurückgelegte Fahrstrecke in Betracht gezogen werden können. Es können auch mehrere dieser Größen oder Parameter zum Bestimmen des Verringerns der Menge des in das Abgas eingebrachten Reduktionsmittels herangezogen werden, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Die entsprechenden Größen oder Parameter werden üblicherweise an unterschiedlichen Stellen einer Steuerungseinrichtung wie etwa eines Motorsteuergeräts ermittelt und stehen somit für die Auswertung zur Verfügung.
Von Vorteil ist weiterhin, wenn bei Vorliegen eines Defekts des Partikelfilters vorübergehend die Menge des Reduktionsmittels erhöht wird, welche stromaufwärts des Partikelfilters in das Abgas eingebracht wird. Wenn also beispielsweise aufgrund eines Defekts des Partikelfilters ein erhöhter Partikelausstoß zu befürchten ist, kann bis zu einer Reparatur des Fahrzeugs beziehungsweise bis zu einem Austausch des defekten Partikelfilters durch das vorübergehende Einbringen der erhöhten Menge an Reduktionsmittel der Partikelausstoß verringert werden. Das Vorliegen des Defekts des Partikelfilters kann einem Nutzer eines Fahrzeugs insbesondere durch eine entsprechende Motorkontrollleuchte angezeigt werden.
Wenn die Abgasanlage eine Abgasrückführung aufweist, also Abgas in einen Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine rückgeführt wird, so kann beim Vorliegen des Defekts des Partikelfilters zusätzlich oder alternativ die Menge des in die Verbrennungskraftmaschine rückgeführten Abgases verringert werden. Insbesondere kann die Menge auf Null verringert werden. Die Abgasrückführung kann also reduziert oder komplett ausgeschaltet werden. Dies führt zum einen zu einer Verringerung der Partikelrohemission. Zum anderen steigt dadurch die NO_x-Rohemission an. Dies hat im Betrieb der Abgasanlage eine Erhöhung der Menge an in das Abgas eingebrachtem Reduktionmittel zur Folge. Dies wirkt sich wiederum positiv auf die Verringerung der Partikelemission aus.
Auch in diesem Fall des Defekts des Partikelfilters kann die Dosierung des Reduktionsmittels etwa in Form der Harnstoff-Wasser-Lösung überstöchiometrisch erfolgen, wobei typischerweise ein Wert von α = 3 vorgesehen sein kann. Theoretisch ist dieser Wert jedoch lediglich durch die maximale Dosiermenge begrenzt, welche von den baulichen Gegebenheiten insbesondere eines Dosierventils der Dosiereinrichtung abhängt.
Vorzugsweise wird für die Abgasnachbehandlung ein zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ausgebildeter Partikelfilter eingesetzt, also ein Partikelfilter mit integrierter SCR-Beschichtung (SDPF). Hier ist nämlich das Einbringen des Reduktionsmittels stromaufwärts des Partikelfilters besonders sinnvoll, da so das Reduktionsmittel bereits in dem SCR-beschichteten Partikelfilter für die Verringerung des Stickoxidgehalts im Abgas sorgen kann.
Bevorzugt wird ein zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ausgebildeter Partikelfilter eingesetzt, welcher einen kupferhaltigen Zeolithen als katalytisch wirksames Material aufweist.
Die erfindungsgemäße Abgasanlage für ein Fahrzeug umfasst einen Partikelfilter zum Behandeln von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs. Stromabwärts des Partikelfilters ist eine Abgasnachbehandlungseinrichtung angeordnet, welche zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ausgebildet ist. Eine Steuerungseinrichtung dient dem Ansteuern einer Dosiereinrichtung, mittels welcher ein für die selektive katalytische Reduktion vorgesehenes Reduktionsmittel stromaufwärts des Partikelfilters in das Abgas einbringbar ist. Die Steuerungseinrichtung ist dazu ausgebildet, im Anschluss an ein Regenerieren des Partikelfilters vorübergehend eine Menge des stromaufwärts des Partikelfilters in das Abgas einzubringenden Reduktionsmittels zu erhöhen. Mittels einer derartigen Abgasanlage kann auch unmittelbar im Anschluss an das Regenerieren des Partikelfilters dafür gesorgt werden, dass verringerte Partikelemissionen auftreten. Entsprechend ist eine verbesserte Abgasanlage bereitgestellt.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für die erfindungsgemäße Abgasanlage und umgekehrt.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind somit auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 beispielhaft und schematisch eine Abgasanlage eines Fahrzeugs mit motornah angeordnetem SCR-System, bei welcher durch Zudosieren einer erhöhten Menge einer Harnstoff-Wasser-Lösung im Anschluss an das Regenerieren eines Partikelfilters eine verringerte Partikelemission erreicht werden kann;
2 eine Variante der Abgasanlage gemäß 1, bei welcher zusätzlich ein Ammoniak-Sperrkatalysator vorgesehen ist;
3 Säulendiagramme, welche die Partikelemissionen für zwei Fahrzyklen veranschaulichen, wobei der Einfluss einer Dosierung einer Harnstoff-Wasser-Lösung auf die Partikelemission dargestellt ist;
4 in einem Graphen den Verlauf des Druckverlusts des SCR-beschichteten Partikelfilters in Abhängigkeit von der Rußbeladung, wobei in dem Graphen ein Bereich veranschaulicht ist, in welchem eine erhöhte Dosierung der Harnstoff-Wasser-Lösung stattfindet;
5 in einem weiteren Graphen die Zunahme der Filtrationseffizienz des SCR-beschichteten Partikelfilters mit zunehmender Rußbeladung, wobei in dem weiteren Graphen ein Bereich das Erhöhen der Dosiermenge der Harnstoff-Wasser-Lösung veranschaulicht; und
6 in einem weiteren Graphen die Rücknahme der Erhöhung der Dosiermenge der Harnstoff-Wasser-Lösung mit zunehmender Aschebeladung des SCR-beschichteten Partikelfilters.
1 zeigt schematisch eine Abgasanlage 10 eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens. Das von einer (nicht gezeigten) Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs kommende Abgas wird zunächst einem Oxidationskatalysator 12 zugeführt. Der Oxidationskatalysator 12 kann insbesondere als Dieseloxidationskatalysator (DOC) ausgebildet sein. Optional kann der Oxidationskatalysator 12 eine elektrische Heizeinrichtung aufweisen, um den Oxidationskatalysator 12 rasch auf seine Anspringtemperatur zu bringen, etwa bei einem Kaltstart des Fahrzeugs. Anstelle des Oxidationskatalysators 12 kann auch ein Stickoxid-Speicherkatalysator vorgesehen sein.
In einer Abgasleitung 14 der Abgasanlage 10 ist dem Oxidationskatalysator 12 ein SCR-System 16 nachgeschaltet. Das SCR-System 16 umfasst einen Partikelfilter 18, welcher vorliegend als Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung ausgebildet ist. Wenn der SCR-beschichtete Partikelfilter 18 als Dieselpartikelfilter ausgebildet ist, so wird dieser auch kurz als SDPF bezeichnet. Das SCR-System 16 umfasst des Weiteren einen SCR-Katalysator 20, welcher stromabwärts des Partikelfilters 18 angeordnet ist. Stromaufwärts des Partikelfilters 18 ist in der Abgasleitung 14 ein Drucksensor 22 angeordnet und stromabwärts des Partikelfilters 18 ein zweiter Drucksensor 24. Mittels dieser Drucksensoren 22, 24, welche den Druck in unterschiedlichen Messpunkten erfassen, lässt sich der Druckverlust ΔP_SDPF oder Differenzdruck des Partikelfilters 18 bestimmen. Zwischen dem Oxidationskatalysator 12 und dem Partikelfilter 18 ist ein Einlass einer vorliegend lediglich ausschnittsweise gezeigten Dosiereinrichtung 26 vorgesehen, über welche sich ein Reduktionsmittel für die selektive katalytische Reduktion (SCR = selective catalytic reduction) in das Abgas einbringen lässt, welches dem SCR-System 16 zugeführt wird.
Der Aufbau der Abgasanlage 10 gemäß 2 entspricht im Wesentlichen dem Aufbau der in 1 gezeigten Abgasanlage 10. Jedoch ist hierbei zusätzlich ein Ammoniak-Sperrkatalysator 28 Bestandteil des SCR-Systems 16. Der Ammoniak-Sperrkatalysator 28 ist stromabwärts des SCR-Katalysators 20 angeordnet. Optional kann des Weiteren ein Abgasrückführungssystem vorgesehen sein, bei welchem eine Hochdruck-Abgasrückführung und/oder eine Niederdruck-Abgasrückführung realisiert sein kann. Entsprechend kann das Abgas stromaufwärts des Verdichters eines Abgasturboladers in einen Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine eingebracht werden (Niederdruck-Abgasrückführung) oder stromabwärts des Verdichters (Hochdruck-Abgasrückführung).
Bei der vorliegend gezeigten Abgasanlage 10 macht man sich die motornahe Position des SCR-Systems 16 zunutze, bei welchem sich die Dosiereinrichtung 26 für das Einbringen der Harnstoff-Wasser-Lösung in das Abgas unmittelbar stromabwärts des Oxidationskatalysators 12 befindet. Als Harnstofflösung kann insbesondere ein unter dem Markennamen AdBlue^® erhältliches Reduktionsmittel zum Einsatz kommen. Bei den in 1 und 2 gezeigten Abgasanlagen 10 ergibt sich aufgrund der Position der Dosiereinrichtung 26 für die Harnstoff-Wasser-Lösung stromaufwärts des Partikelfilters 18 eine Abhängigkeit zwischen der Emission an Partikelmasse (PM) und der Dosiermenge. Dies soll anhand von 3 veranschaulicht werden.
In einem in 3 gezeigten Graphen 30 ist auf einer Ordinate 32 die von dem Fahrzeug in die Umgebung abgegebene Partikelmasse in Milligramm pro Kilometer angegeben. Zwei Säulen 34, 36 veranschaulichen die bei einem ersten Fahrzyklus an einem Auslass der Abgasanlage 10 festgestellten Partikelmasseemissionen. Bei dem durch die Säulen 34, 36 veranschaulichten Fahrzyklus handelt es sich um die Ergebnisse von drei Extra-Urban-Driving-Cycles (EUDC), also von drei außerstädtischen Fahrzyklen wie sie für eine Vorkonditionierung für den neuen europäischen Fahrzyklus (NEFZ) vorgenommen werden. Hierbei veranschaulicht die erste Säule 34 die Partikelmasseemission ohne eine Dosierung der Harnstoff-Wasser-Lösung stromaufwärts des Partikelfilters 18 und die zweite Säule 36 die Partikelemission bei einer Dosierung der Harnstoff-Wasser-Lösung. Entsprechend ist ersichtlich, dass sich durch das Einbringen der Harnstoff-Wasser-Lösung stromaufwärts des Partikelfilters 18 die Partikelemissionen verringern lassen.
Dasselbe gilt für die Partikelemissionen, wie sie bei einem Fahrzyklus in Form des Bundesautobahntests (BAB-Tests) des ADAC (Allgemeiner Deutscher Automobil Club) gemessen wurden. Die Ergebnisse dieses BAB-Tests sind in 3 durch zwei weitere Säulen 38, 40 veranschaulicht. Hierbei veranschaulicht die Säule 38 die Partikelemission ohne eine Dosierung der Harnstoff-Wasser-Lösung und die Säule 40 die Partikelemission mit der Dosierung der Harnstoff-Wasser-Lösung.
Im Anschluss an ein vollständiges Regenerieren des Partikelfilters 18 zeigt der Partikelfilter 18 noch nicht seine volle Filtrationseffizienz. Zunächst findet nämlich in dem Partikelfilter 18 lediglich eine Tiefenfiltration statt, bei welcher die Partikel beim Durchströmen von Poren in Wänden einer Filtermatrix des Partikelfilters 18 in den Poren eingelagert werden. Mit zunehmender Beladung des Partikelfilters 18 bildet sich auch an der Oberfläche der Kanäle ein Filterkuchen aus Ruß. Entsprechend findet dann eine Oberflächenfiltration statt, welche zu einer deutlichen Zunahme der Filtrationseffizienz des Partikelfilters 18 führt.
Während der Zeitspanne, in welcher lediglich die Tiefenfiltration stattfindet, wird vorliegend die Menge der mittels der Dosiereinrichtung 26 in das Abgas eingebrachten Harnstoff-Wasser-Lösung erhöht. So wird der Effekt der Dosierung der Harnstoff-Wasser-Lösung auf die Partikelmasseemission genutzt, um die vorübergehend niedrigere Filtrationseffizienz des Partikelfilters 18 auszugleichen. So können besonders niedrige Partikelemissionen in allen Betriebszuständen der Abgasanlage 10 beziehungsweise der Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs erreicht werden.
Zum Ansteuern der Dosiereinrichtung 26 ist vorliegend ein Steuergerät 42 vorgesehen (vergleiche 1 und 2). Das Steuergerät 42 kann unmittelbar im Anschluss an das Regenerieren des Partikelfilters 18 ein Verhältnis α der dosierten Ammoniak-Menge bezogen auf die NO_x-Emission auf einen Wert von α = 1,5 bis α = 3 erhöhen. Dieses von dem Steuergerät 42 bewirkte vorübergehende Anheben der Dosiermenge der Harnstoff-Wasser-Lösung kann unter Berücksichtigung unterschiedlicher Abbruchkriterien zurückgenommen werden.
Beispielsweise ist in einem Graphen 44 in 4 auf einer Ordinate 46 der Differenzdruck oder Druckverlust ΔP_SDPF des Partikelfilters 18 in Millibar angegeben. In dem Graphen 44 ist auf einer Abszisse 48 die Rußbeladung des Partikelfilters 18 in Gramm pro Liter angegeben. Eine Linie 50 veranschaulicht in dem Graphen 44 den durch das Filtermaterial des Partikelfilters 18 bewirkten Druckverlust. Eine Kurve 52 beschreibt die Zunahme des Druckverlusts ΔP_SDPF. In einem ersten Abschnitt 54 der Kurve 52 findet eine Tiefenfiltration statt, während welcher der Ruß im Substrat zurückgehalten wird. Hier ist der Anstieg des Druckverlusts vergleichsweise steil. Ein zweiter Abschnitt 56 veranschaulicht einen Übergangsbereich, also einen Übergang der Kurve 52 vom Abschnitt 54, welcher die Tiefenfiltration veranschaulicht, hin zu einem Abschnitt 58, welcher die Oberflächenfiltration, also die Filtration durch einen Filterkuchen oder Rußkuchen veranschaulicht. Am Übergang vom Abschnitt 54 zum Abschnitt 56 knickt die Kurve 52 ab, die Kurve 52 wird also flacher. Am Übergang vom Abschnitt 56 zum Abschnitt 58 knickt die Kurve 52 abermals ab, die Kurve 52 wird also noch flacher. Anhand des Abknickens der Kurve 52 kann also der Zeitpunkt detektiert werden, in welchem die Tiefenfiltration in die Oberflächenfiltration übergeht.
Entsprechend wird vorliegend während einer der Dauer der Tiefenfiltration entsprechenden Zeitspanne 60, welche in 4 durch einen rechteckigen Flächenbereich veranschaulicht ist, die erhöhte Menge an Harnstoff-Wasser-Lösung mittels der Dosiereinrichtung 26 in das Abgas eingebracht.
In einem in 5 gezeigten weiteren Graphen 62 ist auf einer Ordinate 64 die Filtrationseffizienz des Partikelfilters 18 in Prozent angegeben und auf einer Abszisse 66 wiederum die Rußbeladung des Partikelfilters 18 in Gramm pro Liter. Auch hier veranschaulicht ein rechteckiger Bereich die Zeitspanne 60, während welcher die erhöhte Menge der Harnstoff-Wasser-Lösung in das Abgas eingebracht wird und entsprechend die Tiefenfiltration andauert. Eine Kurve 68 gibt demgegenüber die zunehmende Filtrationseffizienz des Partikelfilters 18 an. Entsprechend kann das vorübergehende Erhöhen der Menge des Reduktionsmittels, welches in das Abgas eingebracht wird, beendet oder abgebrochen werden, wenn die Filtrationseffizienz einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht hat. Der entsprechende definierte oder vorbestimmte Zeitpunkt kann über ein Modell bestimmt werden, welches das Einlagern von Ruß in den Partikelfilter 18 beschreibt, und welchem die in 5 gezeigte, erste steil ansteigende und dann zunehmend flacher werdende Kurve 68 zugrundeliegen kann.
Das aufgrund der Erhöhung der HWL(Harnstoff-Wasser-Lösung)-Dosiermenge im Überschuss vorliegende Reduktionsmittel kann im SCR-Katalysator 20 und im Partikelfilter 18 gespeichert werden. Entsprechend braucht im Anschluss an das Erhöhen, also nach dem Beenden des Erhöhens, die Harnstoff-Wasser-Lösung nicht einmal in einem stöchiometrischen Verhältnis von α = 1 zugegeben zu werden. Vielmehr kann dann die Harnstoff-Wasser-Lösung über eine gewisse Zeitspanne hinweg in verringerter Menge in das Abgas eingebracht werden. Zudem kann Ammoniak, welcher nicht im SCR-System 16 gespeichert werden kann, über den gegebenenfalls nachgeschalteten Ammoniak-Sperrkatalysator 28 zu N₂ umgewandelt werden.
Bevorzugt wird die Betriebsstrategie der Abgasanlage 10 mit zunehmender Laufzeit des Partikelfilters 18 angepasst. Denn mit zunehmender Einsatzdauer des Partikelfilters 18 steigt auch die Ascheeinlagerung in die Filterwand des Partikelfilters 18. Dies kompensiert die zunächst schlechtere Filtrationseffizienz während der Tiefenfiltration. Die Erhöhung der Dosierung der Harnstoff-Wasser-Lösung nach einem jeweiligen vollständigen Regenerieren des Partikelfilters 18 kann daher mit steigender Aschebeladung des Partikelfilters 18 schrittweise zurückgenommen werden. Dies soll anhand von 6 veranschaulicht werden.
In einem in 6 gezeigten Graphen 70 ist auf einer Ordinate 72 das Verhältnis α der dosierten Ammoniakmenge bezogen auf die NO_x-Emission aufgetragen. Auf einer Abszisse 74 im Graphen 70 können eine Anzahl der insgesamt durchgeführten Regeneration des Partikelfilters 18, eine Aschebeladung des Partikelfilters 18 in Gramm pro Liter, ein Alterungsfaktor des Partikelfilters 18 oder eine Laufzeit beziehungsweise eine zurückgelegte Fahrstrecke aufgetragen sein. Beispielhaft wird gemäß 6 von einem ursprünglichen Erhöhen des Verhältnisses α auf α = 3 ausgegangen. Demgegenüber veranschaulicht eine Linie 76 in 6 das Verhältnis von α = 1, also die für den vollständigen, stöchiometrischen Stickoxidumsatz erforderliche HWL-Dosiermenge. Eine weitere Linie 78 in 6 veranschaulicht die mit zunehmender Betriebsdauer des Partikelfilters 18 verringerte Menge der im Überschuss zudosierten Harnstoff-Wasser-Lösung, welche nach jedem Regenerieren des Partikelfilters 18 in das Abgas eingebracht wird. Insbesondere kann hierbei ein schrittweises Zurücknehmen der in das Abgas eingebrachten Menge der Harnstoff-Wasser-Lösung vorgesehen sein. Das Verhältnis α kann jedoch auch kontinuierlich bis auf den Wert α = 1 verringert werden.
Auch im Falle eines als defekt gemeldeten Partikelfilters, welcher einem Nutzer des Fahrzeugs durch Aufleuchten einer Motorkontrollleuchte angezeigt wird, kann ein erhöhter Partikelausstoß bis zu einer Reparatur des Fahrzeugs beziehungsweise bis zu einem Austausch des defekten Partikelfilters 18 durch Erhöhung der HWL-Dosiermenge begrenzt werden. Zusätzlich kann das Verringern des Partikelausstoßes des defekten Partikelfilters 18 durch ein Abschalten einer Abgasrückführung beziehungsweise ein Verringern der rückgeführten Menge an Abgas unterstützt werden.
Bezugszeichenliste

10: Abgasanlage
12: Oxidationskatalysator
14: Abgasleitung
16: SCR-System
18: Partikelfilter
20: SCR-Katalysator
22: Drucksensor
24: Drucksensor
26: Dosiereinrichtung
28: Ammoniak-Sperrkatalysator
30: Graph
32: Ordinate
34: Säule
36: Säule
38: Säule
40: Säule
42: Steuergerät
44: Graph
46: Ordinate
48: Abszisse
50: Linie
52: Kurve
54: Abschnitt
56: Abschnitt
58: Abschnitt
60: Zeitspanne
62: Graph
64: Ordinate
66: Abszisse
68: Kurve
70: Graph
72: Ordinate
74: Abszisse
76: Linie
78: Linie

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015/144273 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Fahrzeugs, bei welchem das Abgas einer Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs mittels eines Partikelfilters (18) und mittels einer dem Partikelfilter (18) nachgeschalteten, zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ausgebildeten Abgasnachbehandlungseinrichtung (20) behandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an ein Regenerieren des Partikelfilters (18) vorübergehend eine Menge eines für die selektive katalytische Reduktion vorgesehenen Reduktionsmittels erhöht wird, welche stromaufwärts des Partikelfilters (18) in das Abgas eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der erhöhten Menge des Reduktionsmittels in das Abgas beendet wird, wenn ein Druckverlust zwischen einem ersten Messpunkt (22) stromaufwärts des Partikelfilters (18) und einem zweiten Messpunkt (24) stromabwärts des Partikelfilters (18) einen vorbestimmten Wert erreicht und/oder ein zeitlicher Verlauf des Druckverlusts wenigstens einem vorbestimmten Kriterium entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der erhöhten Menge des Reduktionsmittels in das Abgas – beendet wird, sobald eine Masse an nach dem Regenerieren des Partikelfilters (18) in die Verbrennungskraftmaschine eingebrachtem Kraftstoff einen vorbestimmten Wert erreicht und/oder – nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne beendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen der erhöhten Menge des Reduktionsmittels in das Abgas beendet wird, sobald mittels eines das Einlagern von Ruß in den Partikelfilter (18) beschreibenden Modells ein vorbestimmter Zustand des Partikelfilters (18) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein stöchiometrisches Verhältnis, welches die in das Abgas eingebrachte Menge des Reduktionsmittels auf die Emission an Stickoxiden bezieht, im Anschluss an das Regenerieren vorübergehend auf einen Wert von mehr als 1 erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem vorübergehenden Erhöhen der Menge des in das Abgas eingebrachten Reduktionsmittels die Menge auf ein unterstöchiometrisches Verhältnis verringert wird, welches die in das Abgas eingebrachte Menge des Reduktionsmittels auf die Emission an Stickoxiden bezieht, und/oder aus der Abgasnachbehandlungseinrichtung (20) austretendes Reduktionsmittel mittels eines nachgeschalteten Katalysators (28) umgewandelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit zunehmender Betriebsdauer des Partikelfilters (18) in Abhängigkeit von wenigstens einem Parameter die Menge des Reduktionsmittels verringert wird, welche nach dem jeweiligen Regenerieren des Partikelfilters (18) stromaufwärts des Partikelfilters (18) in das Abgas eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen eines Defekts des Partikelfilters (18) vorübergehend die Menge des Reduktionsmittels erhöht wird, welche stromaufwärts des Partikelfilters (18) in das Abgas eingebracht wird, und/oder eine Menge von in die Verbrennungskraftmaschine rückgeführtem Abgas verringert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die Abgasnachbehandlung ein zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ausgebildeter Partikelfilter (18) eingesetzt wird, welcher einen kupferhaltigen Zeolithen als katalytisch wirksames Material aufweist.
Abgasanlage für ein Fahrzeug, mit einem Partikelfilter (18) zum Behandeln von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs, wobei stromabwärts des Partikelfilters (18) eine Abgasnachbehandlungseinrichtung (20) angeordnet ist, welche zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ausgebildet ist, und mit einer Steuerungseinrichtung (42) zum Ansteuern einer Dosiereinrichtung (26), mittels welcher ein für die selektive katalytische Reduktion vorgesehenes Reduktionsmittel stromaufwärts des Partikelfilters (18) in das Abgas einbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (42) dazu ausgebildet ist, im Anschluss an ein Regenerieren des Partikelfilters (18) vorübergehend eine Menge des stromaufwärts des Partikelfilters (18) in das Abgas einzubringenden Reduktionsmittels zu erhöhen.