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Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine, eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine.
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Bei Abgasnachbehandlungssystemen zur Nachbehandlung von Abgas einer Brennkraftmaschine, die einen Stickoxid-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden aufweisen, besteht das generelle Bedürfnis, über einen möglichst breiten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine eine möglichst effiziente Reduktion von Stickoxiden bereitzustellen. Dabei zeigt sich, dass ein besonders effizienter Reaktionsmechanismus gemäß der Reaktionsgleichung NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O, (1) die auch als schnelle SCR-Reaktion bezeichnet wird, dann abläuft, wenn stromaufwärts des Strickoxid-Katalysators ein Verhältnis einer Stickstoffdioxid Konzentration im Abgas zu einer Gesamt-Stickoxid-Konzentration im Abgas gerade 0,5 beträgt. In diesem Fall sind nämlich Stickstoffdioxid und Stickstoffmonoxid zu gleichen Teilen im Abgas enthalten, was die schnelle SCR-Reaktion gemäß Gleichung (1) begünstigt.
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Brennkraftmaschinen emittieren allerdings typischerweise Abgas mit einem im Folgenden auch als Stickoxid-Verhältnis bezeichneten Verhältnis der Stickstoffdioxid-Konzentration zur Gesamt-Stickoxid-Konzentration im Abgas von weniger als 0,1.
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Um den Stickstoffdioxidanteil zu erhöhen, kann stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators ein Oxidationskatalysator angeordnet werden, in welchem Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid oxidiert wird. Es zeigt sich jedoch, dass mittels dieser Maßnahme nur in einem relativ schmalen Betriebsbereich der Brennkraftmaschine und insbesondere in einem relativ schmalen Abgastemperaturbereich tatsächlich das gewünschte Stickoxid-Verhältnis von 0,5 bereitgestellt werden kann. Insbesondere existiert eine Mehrzahl von Betriebspunkten, in denen aufgrund des Oxidationskatalysators der Stickstoffdioxidanteil im Abgas zu hoch ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abgasnachbehandlungssystem, eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Abgasnachbehandlungssystem für eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, das einen Abgasstrang aufweist, indem ein Stickoxid-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet ist, der auch als SCR-Katalysator bezeichnet wird (Selective Catalytic Reduction – SCR). Stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators ist in dem Abgasstrang wenigstens ein Oxidationskatalysator angeordnet. Dabei ist ein Umgehungspfad um den Oxidationskatalysator derart vorgesehen, dass Abgas durch den Umgehungspfad entlang des Abgasstrangs fluidisch parallel zu dem Oxidationskatalysator strömen kann, ohne den Oxidationskatalysator zu passieren. In dem Umgehungspfad ist bevorzugt wenigstens eine ansteuerbare Ventileinrichtung angeordnet, wobei diese parameterabhängig ansteuerbar ist, um ein Verhältnis einer Stickstoffdioxid-Konzentration zu einer Gesamt-Stickoxid-Konzentration im Abgas, das auch als Stickoxid-Verhältnis bezeichnet wird, stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators zu beeinflussen. Durch den Oxidationskatalysator wird Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid aufoxidiert und so die Konzentration von Stickstoffdioxid im Abgas erhöht. In Betriebspunkten der Brennkraftmaschine und/oder in Temperaturbereichen des Abgases, in denen durch den Oxidationskatalysator eine zu hohe Stickstoffdioxidkonzentration stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators erzeugt wird, kann die ansteuerbare Ventileinrichtung insbesondere so angesteuert werden, dass gerade eine solche Abgasmenge an dem Oxidationskatalysator vorbeiströmt, ohne diesen zu passieren, dass sich insgesamt stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators ein bestimmtes Stickoxid-Verhältnis, insbesondere ein Stickoxid-Verhältnis von 0,5, einstellt.
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Der Umgehungspfad um den Oxidationskatalysator ist bevorzugt stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators angeordnet. Dies bedeutet insbesondere, dass der Umgehungspfad stromaufwärts des Oxidationskatalysators aus dem zu dem Oxidationskatalysator führenden Teil des Abgasstrangs abzweigt und stromabwärts des Oxidationskatalysators und zugleich stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators in den zu dem Stickoxid-Katalysator führenden Teil des Abgasstrangs einmündet. Das durch den Oxidationskatalysator strömende Abgas wird also mit dem an dem Oxidationskatalysator vorbeiströmenden Abgas, welches diesen nicht passiert, stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators wieder vereinigt, sodass sich an der Vereinigungsstelle oder stromabwärts der Vereinigungsstelle, jedoch insbesondere stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators, gerade das gewünschte Stickoxid-Verhältnis einstellt.
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Dass Abgas durch den Umgehungspfad parallel zu dem Oxidationskatalysator strömen kann, bedeutet insbesondere, dass der Umgehungspfad fluidisch parallel zu dem Oxidationskatalysator angeordnet ist. Vorzugsweise hat dies keine oder zumindest nicht notwendig eine geometrische Implikation. Insbesondere bedarf es keiner geometrisch parallelen Anordnung des Umgehungspfads zu dem Oxidationskatalysator, vielmehr genügt eine fluidische Parallelschaltung des Umgehungspfads mit dem Oxidationskatalysator.
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Die ansteuerbare Ventileinrichtung ist bevorzugt eingerichtet, um einen Strömungsquerschnitt des Umgehungspfads zu verändern. Dabei ist es möglich, dass die ansteuerbare Ventileinrichtung den Umgehungspfad in einer ersten Funktionsstellung vollständig schließt, wobei es ihn in einer zweiten Funktionsstellung maximal freigibt. Vorzugsweise ist die Ventileinrichtung zwischen der ersten Funktionsstellung und der zweiten Funktionsstellung in einer Vielzahl, insbesondere in einem Kontinuum von Funktionsstellungen anordenbar. Bei einem Ausführungsbeispiel des Abgasnachbehandlungssystems ist es möglich, dass die ansteuerbare Ventileinrichtung als Klappe ausgebildet ist. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass die ansteuerbare Ventileinrichtung als Ventil ausgebildet ist.
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Durch parameterabhängige Ansteuerung der Ventileinrichtung ist das Stickoxid-Verhältnis stromabwärts des Oxidationskatalysators beeinflussbar. Somit kann die Effizienz der Stickoxidreduktion in dem Stickoxid-Katalysator verbessert werden, insbesondere indem in einer Vielzahl von Betriebspunkten der Brennkraftmaschine sowie in einem weiten Abgastemperaturbereich ein gewünschtes Stickoxid-Verhältnis von insbesondere 0,5 eingestellt werden kann.
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Dies erweist sich als besonders günstig, wenn das Abgasnachbehandlungssystem einen Stickoxid-Katalysator aufweist, der einen Zeolith als katalytisch aktive Beschichtung oder Substanz aufweist. Insbesondere in diesem Fall ergibt sich eine besonders gute Stickoxidkonversion, wenn an dem Stickoxid-Katalysator ein Stickoxid-Verhältnis von 0,5 vorliegt. Dabei ergeben sich generell an dem Stickoxid-Katalysator sehr hohe Wirkungsgrade der Stickoxidkonversion in einem sehr breiten Temperaturbereich und damit nicht zuletzt auch auf einem breiten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine. Es ist so möglich, ein hocheffizientes System zur Stickoxidreduktion zu schaffen.
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Das Abgasnachbehandlungssystem weist vorzugsweise eine Reduktionsmitteldosiereinrichtung auf, die eingerichtet ist zur Eindosierung eines Reduktionsmittels oder eines Reduktionsmittelvorläuferprodukts in den Abgasstrang. Dabei ist die Reduktionsmitteldosiereinrichtung vorzugsweise stromabwärts des Oxidationskatalysators angeordnet, um zu verhindern, dass das Reduktionsmittel durch Oxidation in dem Oxidationskatalysator vernichtet wird. Die Reduktionsmitteldosiereinrichtung ist vorzugsweise eingerichtet, um eine Harnstoff-Wasser-Lösung in den Abgasstrang einzudosieren, wobei der Harnstoff in für sich genommen bekannter Weise bei Durchmischung mit dem heißen Abgas chemisch in Ammoniak umgewandelt wird, welches dann in dem Stickoxid-Katalysator als Reduktionsmittel wirkt.
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Das hier vorgeschlagene Abgasnachbehandlungssystem erlaubt es, ein bestimmtes Stickoxid-Verhältnis über weite Bereiche eines Kennfelds der Brennkraftmaschine einzustellen. Dabei kann insbesondere ein Überschuss an Stickstoffdioxid vermieden werden, welcher deswegen nachteilig ist, weil eine selektive katalytische Reduktion von Stickstoffdioxid langsamer abläuft als die Reaktion gemäß Gleichung (1), und insbesondere sogar langsamer als eine Standardreaktion zur Reduktion von Stickstoffmonoxid.
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Dabei besteht die erfindungsgemäße Lösung insbesondere darin, parallel zu dem Oxidationskatalysator, welcher Stickstoffmonoxid in Stickstoffdioxid entsprechend dem hierfür geltenden thermodynamischen Gleichgewicht umwandelt, einen regelbaren Bypass in Form des Umgehungspfads mit der wenigstens einen ansteuerbaren Ventileinrichtung zu installieren. Der regelbare Bypass erlaubt es, Abgas an dem Oxidationskatalysator vorbeiströmen zu lassen. Somit lassen sich Stickstoffdioxid-Überschüsse vermeiden, indem insbesondere gerade so viel Abgas an dem Oxidationskatalysator vorbeigeleitet wird, dass sich stromabwärts des Oxidationskatalysators bevorzugt ein Stickoxid-Verhältnis von 0,5 einstellt. Der Bypass erlaubt somit insbesondere, die Betriebsbereiche eines herkömmlichen Oxidationskatalysators, welche auf Stickoxid-Verhältnisse von mehr als 0,5 führen, auf ein Verhältnis von 0,5 zu limitieren.
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Das Abgasnachbehandlungssystem weist vorzugsweise eine Steuereinrichtung auf, die eingerichtet ist zur Ansteuerung der Ventileinrichtung in Abhängigkeit von wenigstens einem Parameter derart, dass das Stickoxid-Verhältnis stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators beeinflusst wird. Insbesondere ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um die ansteuerbare Ventileinrichtung parameterabhängig so anzusteuern, dass das Stickoxid-Verhältnis in dem Abgas stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators auf 0,5 eingestellt, limitiert, oder geregelt wird.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der wenigstens eine Parameter, abhängig von dem die Ventileinrichtung ansteuerbar ist, ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einer Abgastemperatur, insbesondere eine Abgastemperatur stromabwärts eines Brennraums der Brennkraftmaschine, vorzugweise in einem Abgassammelrohr oder Abgaskrümmer derselben, und/oder stromaufwärts von dem Oxidationskatalysator; einer Temperatur der Brennkraftmaschine, vorzugsweise einer Kühlmitteltemperatur der Brennkraftmaschine; einem Abgasdruck, insbesondere einem Abgasdruck stromaufwärts des Oxidationskatalysators; einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, insbesondere einem Lastpunkt; und einer Stickoxid-Konzentration stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators im Abgas, insbesondere einer Stickstoffmonoxid-Konzentration, einer Stickstoffdioxid-Konzentration, oder einer Gesamt-Stickoxid-Konzentration. Eine Regelung des Stickoxid-Verhältnisses kann auch derart durchgeführt werden, dass das Stickoxid-Verhältnis selbst als Parameter verwendet wird, wobei es dann vorzugsweise auf einen bestimmten Sollwert, insbesondere auf 0,5, geregelt wird. Dabei hängt das Stickoxid-Verhältnis stromabwärts des Oxidationskatalysators insbesondere von der Abgastemperatur unmittelbar stromaufwärts des Oxidationskatalysators sowie dem Abgasdruck stromaufwärts des oder in dem Oxidationskatalysator ab. Diese Größen sind insbesondere abhängig von einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, insbesondere von einem Lastpunkt derselben. Eine Stickoxid-Konzentration kann ohne weiteres stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators mithilfe eines Stickoxid-Sensors gemessen werden, sodass sie ohne Weiteres als Führungsgröße zur Ansteuerung der Ventileinrichtung verwendet werden kann. Die ansteuerbare Ventileinrichtung wird vorzugsweise mittels in der Steuereinrichtung hinterlegter Kennfelder und/oder in Abhängigkeit von einer Stickoxid-Sensorik stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators angesteuert.
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Es wird ein Ausführungsbeispiel des Abgasnachbehandlungssystems bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass das Abgasnachbehandlungssystem eine stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators angeordnete Abgasturbolader-Turbine aufweist, wobei der wenigstens eine Oxidationskatalysator stromaufwärts der Abgasturbolader-Turbine angeordnet ist. Diese Anordnung des Oxidationskatalysators ist günstig, da er so von der vergleichsweise hohen Abgastemperatur und dem vergleichsweise hohen Abgasdruck stromaufwärts der Abgasturbolader-Turbine profitiert und Stickstoffmonoxid besonders effizient zu Stickstoffdioxid umsetzen kann. Weiterhin ist hierbei vorteilhaft, dass mittels des Umgehungpfads und der ansteuerbaren Ventileigenschaften das Transientverhalten der Brennkraftmaschine verbessert oder erhalten werden kann. Ein stromaufwärts der Abgasturbolader-Turbine angeordneter Oxidationskatalysator verschlechtert nämlich generell aufgrund seiner hohen Wärmekapazität die transienten Hochlaufeigenschaften der Brennkraftmaschine, da Abgasenthalpie zur Aufheizung des Oxidationskatalysators verwendet wird und damit nicht mehr der Abgasturbolader-Turbine zur Beschleunigung ihres Laufrades zur Verfügung steht. Es ist nun möglich, in einem transienten Betriebszustand der Brennkraftmaschine und insbesondere unter Lastaufschaltung die ansteuerbare Ventileinrichtung zu einer weiteren Öffnung des Umgehungspfads, vorzugsweise zur maximalen Öffnung desselben, anzusteuern, und so möglichst viel Abgas unter Umgehung des Oxidationskatalysators direkt zu der Abgasturbolader-Turbine zu fördern. Dabei steht dann die volle Enthalpie dieses Abgases zur Beschleunigung der Abgasturbolader-Turbine zur Verfügung, sodass das dynamische Verhalten des Abgasturboladers und somit zugleich der Brennkraftmaschine verbessert ist.
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Im Übrigen ist es möglich, den Gegendruck des Oxidationskatalysators in einer stationären Auslegung der Abgasturbolader-Turbine zu berücksichtigen, sodass der stromaufwärts derselben angeordnete Oxidationskatalysator in einem stationären Betriebszustand keine negativen Auswirkungen hat. Im transienten Betrieb kann er durch den Umgehungpfad umgangen werden, womit die Ladungswechselarbeit reduziert wird und somit der Hochlauf der Brennkraftmaschine – wie bereits erläutert – erleichtert wird.
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Ist der wenigstens eine Oxidationskatalysator stromaufwärts der Abgasturbolader-Turbine angeordnet, ist vorzugsweise auch die Reduktionsmitteldosiereinrichtung stromaufwärts der Abgasturbolader-Turbine, jedoch stromabwärts des Oxidationskatalysators, angeordnet. Auf diese Weise kann die Reduktionsmittelaufbereitung verbessert werden, da die Abgasturbolader-Turbine zur innigen Durchmischung des Reduktionsmittels oder des Reduktionsmittelvorläuferprodukts mit dem Abgas verwendet werden kann. Es bedarf dann gegebenenfalls keiner separaten Mischstrecke, oder die durch Mischung des Reduktionsmittels oder des Reduktionsmittelvorläuferprodukts mit dem Abgas wird auch zusätzlich zu einer gegebenenfalls noch vorhandenen Mischstrecke verbessert.
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Es zeigt sich, dass ein stromaufwärts einer Abgasturbolader-Turbine angeordneter Oxidationskatalysator insbesondere in einem ersten, niedrigeren Abgastemperaturbereich Stickstoffmonoxid sehr effizient zu Stickstoffdioxid oxidiert. Dabei können insbesondere Betriebspunkte, in denen ansonsten durch den Oxidationskatalysator eine zu hohe Stickstoffdioxidkonzentration erzeugt würde, durch Ansteuerung der ansteuerbaren Ventileinrichtung auf ein Stickoxid-Verhältnis von 0,5 limitiert werden.
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Alternativ wird ein Ausführungsbeispiel des Abgasnachbehandlungssystems bevorzugt, welches eine stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators angeordnete Abgasturbolader-Turbine aufweist, wobei der wenigstens eine Oxidationskatalysator stromabwärts der Abgasturbolader-Turbine angeordnet ist. Dabei zeigt sich, dass ein stromabwärts der Abgasturbolader-Turbine angeordneter Oxidationskatalysator insbesondere in einem zweiten, höheren Abgastemperaturbereich sehr effizient Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid oxidiert. Dabei kann eine zu hohe Stickoxidkonzentration durch Ansteuerung der ansteuerbaren Ventileinrichtung auf ein Stickoxid-Verhältnis von 0,5 limitiert werden.
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Die Abgasturbolader-Turbine ist vorzugsweise ein- oder mehrstufig, insbesondere zweistufig, ausgebildet. Es ist also insbesondere möglich, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung zwei Abgasturbolader-Turbinen aufweist, nämlich eine erste Hochdruck-Turbine und eine zweite Niederdruck-Turbine. Der Begriff „Abgasturbolader-Turbine“ wird hier und im Folgenden für die Gesamtheit eventuell vorgesehener Abgasturbolader-Turbinen, also insbesondere auch für eine Anordnung aus einer Hochdruck-Turbine und einer Niederdruck-Turbine, verwendet.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Abgasnachbehandlungssystems bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators eine Abgasturbolader-Turbine vorgesehen ist, wobei ein erster Oxidationskatalysator stromaufwärts der Abgasturbolader-Turbine angeordnet ist, und wobei ein zweiter Oxidationskatalysator stromabwärts der Abgasturbolader-Turbine angeordnet ist. Dabei ist dem ersten Oxidationskatalysator ein erster Umgehungspfad mit einer ersten ansteuerbaren Ventileinrichtung zugeordnet, und dem zweiten Oxidationskatalysator ist ein zweiter Umgehungspfad mit einer zweiten ansteuerbaren Ventileinrichtung zugeordnet ist. Auf diese Weise ist es möglich, in einem besonders großen Betriebsbereich der Brennkraftmaschine ein gewünschtes, bestimmtes Stickoxid-Verhältnis, insbesondere von 0,5, zu erreichen. Hierzu werden vorzugsweise zwei Oxidationskatalysator-Umgehungspfad-Einheiten, jeweils vor und nach der Abgasturbolader-Turbine, verwendet. In dem ersten Abgastemperaturbereich niedrigerer Abgastemperaturen wird bevorzugt über den ersten, stromaufwärts der Abgasturbolader-Turbine angeordneten Oxidationskatalysator Stickstoffdioxid erzeugt, wobei es möglich ist, dass der zweite, stromabwärts der Abgasturbolader-Turbine angeordnete Oxidationskatalysator vollständig oder soweit wie möglich umgangen wird. Dies trägt der Erkenntnis Rechnung, dass eine besonders effiziente Umsetzung von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid bei niedrigeren Abgastemperaturen insbesondere mittels eines stromaufwärts der Abgasturbolader-Turbine angeordneter Oxidationskatalysator durchgeführt werden kann. Im Bereich hoher Betriebstemperaturen oder Abgastemperaturen wird die Oxidation von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid bevorzugt im Wesentlichen in dem stromabwärts der Abgasturbolader-Turbine angeordneten, zweiten Oxidationskatalysator durchgeführt. Dabei ist es möglich, dass der erste Oxidationskatalysator vollständig oder soweit wie möglich umgangen wird, insbesondere durch maximale Freigabe seines Strömungsquerschnitts durch die ihm zugeordnete ansteuerbare Ventileinrichtung.
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Es zeigt sich, dass mittels der stromaufwärts und stromabwärts der Abgasturbolader-Turbine angeordneten Oxidationskatalysatoren für eine erhöhte und insbesondere sehr große Anzahl von Betriebspunkten der Brennkraftmaschine ein gewünschtes, bestimmtes Stickoxid-Verhältnis, insbesondere von 0,5, eingestellt werden kann. Dabei können je nach Abgastemperatur bestimmte Betriebspunkte durch Ansteuern der jeweils am besten geeigneten, ansteuerbaren Ventileinrichtungen auf das gewünschte Stickoxid-Verhältnis limitiert werden.
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Bevorzugt wird auch ein Aufführungsbeispiel des Abgasnachbehandlungssystems, das sich dadurch auszeichnet, dass dieses stromaufwärts des Stickoxidkatalysators eine Abgasturbolader-Turbine aufweist, wobei das Abgasnachbehandlungssystem außerdem eine schaltbare Abgasleiteinrichtung aufweist, die in eine erste Funktionsstellung, in welcher der wenigstens eine Oxidationskatalysator stromaufwärts der Abgasturbolader-Turbine angeordnet ist, und in eine zweite Funktionsstellung, in welcher der Oxidationskatalysator stromabwärts der Abgasturbolader-Turbine angeordnet ist, schaltbar ist. Besonders bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass das Abgasnachbehandlungssystem genau einen und insbesondere nur einen Oxidationskatalysator aufweist, der mittels der schaltbaren Abgasleiteinrichtung – vorzugsweise betriebspunktabhängig – fluidisch vor oder nach die Abgasturbolader-Turbine geschaltet werden kann. Mit Hilfe der schaltbaren Abgasleiteinrichtung lässt sich also in besonders effizienter und auch kostengünstiger Weise ein gemeinsamer Oxidationskatalysator sowohl vor – als auch nach der Abgasturbolader-Turbine realisieren. Somit können mit geringerem technischen Aufwand und geringeren Kosten die Vorteile eines Abgasnachbehandlungssystems mit zwei Oxidationskatalysatoren, von denen ein erster stromaufwärts und ein zweiter stromabwärts der Abgasturbolader-Turbine angeordnet ist, erzielt werden.
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Der wenigstens eine Oxidationskatalysator ist bevorzugt parallel zu der Abgasturbolader-Turbine angeordnet. Dies spricht hier insbesondere an, dass der Oxidationskatalysator räumlich parallel und vorzugsweise insbesondere neben der Abgasturbolader-Turbine angeordnet ist, wobei er mittels der schaltbaren Abgasleiteinrichtung fluidisch vor oder nach die Abgasturbolader-Turbine geschaltet werden kann. Bevorzugt ist aber die schaltbare Abgasleiteinrichtung zusätzlich auch eingerichtet, um den Oxidationskatalysator fludisch parallel zu der Abgasturbolader-Turbine zu schalten. In diesem Fall ist es möglich, den Strömungspfad über den Oxidationskatalysator als Turbinen-Bypass zu nutzen, falls dies in bestimmten Betriebspunkten der Brennkraftmaschine vorteilhaft ist.
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Besonders bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel des Abgasnachbehandlungssystems, welche sich dadurch auszeichnet, dass die schaltbare Abgasleiteinrichtung einen ersten Leitungsabschnitt aufweist, der von einem stromaufwärts der Abgasturbolader-Turbine angeordneten, ersten Abgaspfad des Abgasstrangs abzweigt, wobei der erste Leitungsabschnitt mit einem Einlass des Oxidationskatalysators verbunden ist. Weiterhin weist die schaltbare Abgasleiteinrichtung einen zweiten Leitungsabschnitt auf, der stromabwärts der Abzweigung des ersten Leitungsabschnitts in den ersten Abgaspfad mündet, wobei der zweite Leitungsabschnitt mit einem Auslass des Oxidationskatalysators verbunden ist. Die schaltbare Abgasleiteinrichtung weist weiterhin einen dritten Leitungsabschnitt auf, der von einem stromabwärts der Abgasturbolader-Turbine angeordneten, zweiten Abgaspfad des Abgasstrangs abzweigt, wobei der dritte Leitungsabschnitt mit dem Einlass des Oxidationskatalysators verbunden ist. Weiterhin weist die schaltbare Abgasleiteinrichtung einen vierten Leitungsabschnitt auf, der stromabwärts der Abzweigung des dritten Leitungsabschnitts in den zweiten Abgaspfad mündet, wobei der vierte Leitungsabschnitt mit dem Auslass des Oxidationskatalysators verbunden ist. Dabei ist in dem ersten, zweiten, dritten und vierten Leitungsabschnitt jeweils eine ansteuerbare Ventileinrichtung angeordnet. Weiterhin ist in einem ersten Steuerabschnitt des ersten Abgaspfads eine ansteuerbare Ventileinrichtung angeordnet, wobei der erste Steuerabschnitt zwischen der Abzweigung des ersten Leitungsabschnitts aus dem ersten Abgaspfad und der Mündung des zweiten Leitungsabschnitts in den ersten Abgaspfad angeordnet ist. Weiterhin ist eine ansteuerbare Ventileinrichtung in einem zweiten Steuerabschnitt des zweiten Abgaspfads angeordnet, wobei der zweite Steuerabschnitt zwischen der Abzweigung des dritten Leitungsabschnitts aus dem zweiten Abgaspfad und der Mündung des vierten Leitungsabschnitts in den zweiten Abgaspfad angeordnet ist. Diese Ausgestaltung stellt eine technisch einfache, kostengünstige und zuverlässige Realisierung der schaltbaren Abgaseinrichtung dar, mit der alle bereits zuvor beschriebenen Betriebszustände, nämlich hier insbesondere eine Schaltung des Oxidationskatalysators fluidisch stromaufwärts der Abgaslader-Turbine, fluidisch stromabwärts der Abgasturbolader-Turbine, und auch eine Schaltung des Oxidationskatalysators als Turbinen-Bypass, realisierbar sind.
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Bevorzugt mündet der dritte Leitungsabschnitt stromaufwärts des Einlasses des Oxidationskatalysators in den ersten Leitungsabschnitt. Dies ist vorteilhaft, weil dann Verrohrungen für die Leitungsabschnitte gemeinsam genutzt werden können, was Material und Kosten spart. In entsprechender Weise ist bevorzugt vorgesehen, dass der vierte Leitungsabschnitt aus dem zweiten Leitungsabschnitt abzweigt, wobei sich auch hierbei Material und Kostenersparnisse durch wegfallende, zusätzliche Verrohrungen, ergeben.
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Der erste Steuerabschnitt und der zweite Steuerabschnitt bilden jeweils einen Umgehungspfad für den Oxidationskatalysator, wobei der erste Steuerabschnitt den Umgehungspfad für eine Schaltung des Oxidationskatalysators fluidisch stromaufwärts der Abgasturbolader-Turbine bildet, und wobei der zweite Steuerabschnitt den Umgehungspfad für eine Schaltung des Oxidationskatalysators fluidisch stromabwärts der Abgasturbolader-Turbine bildet. Demnach dienen die in dem ersten Steuerpfad und in dem zweiten Steuerpfad angeordneten, ansteuerbaren Ventileinrichtungen insbesondere dazu, einen an dem Oxidationskatalysator vorbeigeführen Abgasteilstrom zu bestimmen. Zugleich dienen diese ansteuerbaren Ventileinrichtungen aber auch dazu, eine Strömung des Abgases an dem Oxidationskatalysator vorbei zu ermöglichen, damit dieser in definierter Weise nur stromabwärts oder nur stromaufwärts der Abgasturbolader-Turbine angeordnet werden kann, wobei Abgase insbesondere nicht in undefinierter Weise sowohl aus dem ersten Abgaspfad als auch aus dem zweiten Abgaspfad in den Oxidationskatalysator gelangen können.
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Die in den ersten und zweiten Leitungsabschnitten angeordneten, ansteuerbaren Ventileinrichtungen sind vorzugsweise in der ersten Funktionsstellung der schaltbaren Abgasleiteinrichtung geöffnet, sodass der Oxidationskatalysator fluidisch stromaufwärts der Abgasturbolade-Turbine angeordnet ist, wobei Abgas durch den ersten Leistungsabschnitt zu dem Oxidationskatalysator gelangen und von diesem über den zweiten Leistungsabschnitt wieder zurück zu dem ersten Abgaspfad strömen kann. Dabei wird zugleich die in dem ersten Steuerabschnitt angeordnete, ansteuerbare Ventileinrichtung parameterabhängig angesteuert, um das Stickoxid-Verhältnis stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators zu beeinflussen. In der ersten Funktionsstellung sind die in den dritten und vierten Leitungsabschnitten angeordneten, ansteuerbaren Ventileinrichtungen vorzugsweise geschlossen, sodass kein Abgas aus dem zweiten Abgaspfad in den Oxidationskatalysator – und umgekehrt – strömen kann. Die in dem zweiten Steuerabschnitt angeordnete, ansteuerbare Ventileinrichtung ist in der ersten Funktionsstellung der schaltbaren Abgasleiteinrichtung bevorzugt vollständig oder maximal geöffnet, sodass das Abgas möglichst ungehindert von der Abgasturbolader-Turbine entlang des zweiten Abgaspfads zu dem Stickoxid-Katalysator strömen kann.
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In der zweiten Funktionsstellung sind vorzugsweise die in den ersten und zweiten Leitungsabschnitten angeordneten, ansteuerbaren Ventileinrichtung geschlossen, sodass kein Abgas aus dem ersten Abgaspfad zu dem Oxidationskatalysator – und umgekehrt – strömen kann. Die in dem ersten Steuerabschnitt angeordnete, ansteuerbare Ventileinrichtung ist bevorzugt in der zweiten Funktionsstellung vollständig oder maximal geöffnet, sodass Abgas möglichst ungehindert von Brennräumen der Brennkraftmaschine zu der Abgasturbolader-Turbine strömen kann. Die in den dritten und vierten Leitungsabschnitten angeordneten, ansteuerbaren Ventileinrichtungen sind in der zweiten Funktionsstellung der schaltbaren Abgasleiteinrichtung vorzugsweise geöffnet, sodass der Oxidationskatalysator fluidisch stromabwärts der Abgasturbolader-Turbine angeordnet ist, wobei Abgas durch den dritten Leitungsabschnitt zu dem Oxidationskatalysator gelangen und von diesem über den vierten Leitungsabschnitt wieder zurück zu dem zweiten Abgaspfad strömen kann. Die in dem zweiten Steuerabschnitt angeordnete, ansteuerbare Ventileinrichtung wird dabei parameterabhängig angesteuert, um das Stickoxid-Verhältnis stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators zu beeinflussen.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Brennkraftmaschine geschaffen wird, welche ein Abgasnachbehandlungssystem gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist. Dabei ist bevorzugt wenigstens ein Brennraum der Brennkraftmaschine mit dem Abgasnachbehandlungssystem fluidisch verbunden. Vorzugsweise sind eine Mehrzahl von Brennräumen, insbesondere auch alle Brennräume der Brennkraftmaschine, mit dem Abgasnachbehandlungssystem fluidisch verbunden. Es ist möglich, dass die Brennkraftmaschine für verschiedene Brennräume oder für verschiedene Gruppen von Brennräumen jeweils separate Abgasnachbehandlungssysteme aufweist. Insbesondere ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine eine Mehrzahl von den zuvor beschriebenen Abgasnachbehandlungssystemen, oder auch eine Kombination von wenigstens einem solchen Abgasnachbehandlungssystem mit einem konventionellen Abgasnachbehandlungssystem, aufweist. In Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Abgasnachbehandlungssystem erläutert wurden.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine weist eine Steuereinrichtung auf, die einerseits mit wenigstens einem Erfassungsmittel zur Erfassung des wenigstens einen Parameters zur Ansteuerung der ansteuerbaren Ventileinrichtung, sowie andererseits mit der wenigstens einen ansteuerbaren Ventileinrichtung wirkverbunden ist, wobei die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um die ansteuerbare Ventileinrichtung parameterabhängig anzusteuern, um das Stickoxid-Verhältnis stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators zu beeinflussen. Das wenigstens eine Erfassungsmittel ist insbesondere als Abgastemperatursensor, als Motortemperatursensor, insbesondere als Kühlmitteltemperatursensor, als Abgasdrucksensor, als Sensor zur Erfassung eines Betriebs- oder Lastpunkts der Brennkraftmaschine, und/oder als Stickoxidsensor ausgebildet.
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Es ist möglich, dass die Steuereinrichtung als zentrales Steuergerät der Brennkraftmaschine, insbesondere als Motorsteuergerät (Engine-Control-Unit – ECU) ausgebildet ist. Alternativ ist es auch möglich, dass eine separate Steuereinrichtung zur Ansteuerung der ansteuerbaren Ventileinrichtung vorgesehen ist.
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Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dient die Brennkraftmaschine dem Antrieb insbesondere schwerer Land- oder Wasserfahrzeuge, beispielsweise von Minenfahrzeugen, Zügen, wobei die Brennkraftmaschine in einer Lokomotive oder einem Triebwagen eingesetzt wird, oder von Schiffen. Auch ein Einsatz der Brennkraftmaschine zum Antrieb eines der Verteidigung dienenden Fahrzeugs, beispielsweise eines Panzers, ist möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine wird vorzugsweise auch stationär, beispielsweise zur stationären Energieversorgung im Notstrombetrieb, Dauerlastbetrieb oder Spitzenlastbetrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine in diesem Fall vorzugsweise einen Generator antreibt. Auch eine stationäre Anwendung der Brennkraftmaschine zum Antrieb von Hilfsaggregaten, beispielsweise von Feuerlöschpumpen auf Bohrinseln, ist möglich. Weiterhin ist eine Anwendung der Brennkraftmaschine im Bereich der Förderung fossiler Roh- und insbesondere Brennstoffe, beispielswiese Öl und/oder Gas, möglich. Auch eine Verwendung der Brennkraftmaschine im industriellen Bereich oder im Konstruktionsbereich, beispielsweise in einer Konstruktions- oder Baumaschine, zum Beispiel in einem Kran oder einem Bagger, ist möglich. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet.
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Die Aufgabe wird schließlich auch gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Stickoxid-Katalysator und wenigstens einem stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators angeordneten Oxidationskatalysator geschaffen wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein vorherbestimmtes Verhältnis einer Stickstoffdioxid-Konzentration zu einer Gesamt-Stickoxid-Konzentration im Abgas, das auch als Stickoxid-Verhältnis bezeichnet wird, stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators eingestellt wird, indem parameterabhängig ein einstellbarer Abgasteilstrom an dem Oxidationskatalysator vorbei zu dem Stickoxid-Katalysator geführt wird. Dabei wird besonders bevorzugt ein Stickoxid-Verhältnis von 0,5 stromaufwärts des Stickoxidkatalysators eingestellt. In Zusammenhang mit den Verfahren ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Abgasnachbehandlungssystem und der Brennkraftmaschine erläutert wurden.
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Dass der einstellbare Abgasteilstrom an dem Oxidationskatalysator vorbei zu dem Stickoxid-Katalysator geführt wird, bedeutet insbesondere, dass dieser unter Umgehung des Oxidationskatalysators, insbesondere über einen Umgehungspfad, zu dem Stickoxid-Katalysator geführt wird.
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Der Abgasteilstrom ist vorzugsweise parameterabhängig einstellbar von einem Nullstrom, wobei kein oder höchstens eine vernachlässigbare Menge an Abgas an dem Oxidationskatalysator vorbeigeführt wird, wobei vielmehr das Abgas vollständig über den Oxidationskatalysator geführt wird, bis hin zu einem maximalen Abgasteilstrom, der an dem Oxidationskatalysator vorbeigeführt wird. Dabei wird allerdings vorzugsweise stets ein verbleibender Abgasteilstrom zumindest auch über den Oxidationskatalysator geführt, sodass also bevorzugt in keinem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine das Abgas vollständig an dem Oxidationskatalysator vorbeigeführt wird. Dies entspricht der Erkenntnis, dass der Oxidationskatalysator benötigt wird, um den von der Brennkraftmaschine produzierten, äußerst geringen Stickstoffdioxidanteil zu erhöhen, wobei allerdings ein Abgasteilstrom an dem Oxidationskatalysator insbesondere vorbeigeführt werden kann, um – wiederum betriebspunktabhängig – die Stickstoffdioxid-Konzentration im Abgas zu limitieren, wobei bevorzugt das Stickoxid-Verhältnis auf 0,5 begrenzt wird.
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Im Rahmen des Verfahrens wird bevorzugt ein Abgasnachbehandlungssystem nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele betrieben. Weiterhin wird bevorzugt im Rahmen des Verfahrens eine Brennkraftmaschine nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele betrieben.
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Im Rahmen des Verfahrens wird insbesondere bevorzugt eine in einem Umgehungspfad um den Oxidationskatalysator angeordnete, ansteuerbare Ventileinrichtung parameterabhängig angesteuert, um das Stickoxid-Verhältnis im Abgas stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators zu beeinflussen. Der Umgehungspfad ist dabei derart angeordnet, dass Abgas durch den Umgehungspfad entlang des Abgasstrangs fluidisch parallel zu dem Oxidationskatalysator strömen kann, ohne diesen zu passieren. Durch Ansteuern der ansteuerbaren Ventileinrichtung wird der an dem Oxidationskatalysator vorbei zu dem Stickoxid-Katalysator geführte Abgasteilstrom eingestellt. Auf diese Weise ist es insbesondere in Betriebspunkten, in denen der Oxidationskatalysator eine zu hohe Stickstoffdioxid-Konzentration im Abgas erzeugen würde, möglich, einen Teil des Abgases an dem Oxidationskatalysator vorbeizuführen, und so das Stickoxid-Verhältnis stromabwärts des Oxidationskatalysators und stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators auf einen bestimmten Wert, vorzugsweise auf 0,5, zu limitieren.
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Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass parameterabhängig ein Abgasteilstrom an einem stromaufwärts einer Abgasturbolader-Turbine angeordneten Oxidationskatalysator vorbeigeführt wird. Alternativ oder zusätzlich wird bevorzugt ein Abgasteilstrom an einem stromabwärts der Abgasturbolader-Turbine angeordneten Oxidationskatalysator vorbeigeführt. Dabei ist insbesondere ein Ausführungsbeispiel möglich, bei welchem parameterabhängig eine ansteuerbare Ventileinrichtung in einem Umgehungspfad um einen stromaufwärts der Abgasturboladereinrichtung angeordneten Oxidationskatalysator angesteuert wird. Alternativ ist ein Ausführungsbeispiel möglich, bei welchem parameterabhängig eine in einem Umgehungspfad um einen stromabwärts der Abgasturbolader-Turbine angeordneten Oxidationskatalysator angeordnete, ansteuerbare Ventileinrichtung angesteuert wird. Es wird auch besonders ein Ausführungsbeispiel bevorzugt, bei welchem sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts der Abgasturbolader-Turbine jeweils ein Oxidationskatalysator mit einem Umgehungspfad angeordnet ist, wobei jedem Umgehungspfad eine ansteuerbare Ventileinrichtung zugeordnet ist, und wobei die ansteuerbaren Ventileinrichtungen im Rahmen des Verfahrens angesteuert werden, um das Stickoxid-Verhältnis stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators einzustellen. Dabei können besonders große Bereiche des Kennfelds der Brennkraftmaschine mit Stickoxid-Verhältnissen von 0,5 erreicht werden. Insbesondere wird bevorzugt in einem ersten, niedrigeren Abgastemperaturbereich die ansteuerbare Ventileinrichtung stromaufwärts der Abgasturbolader-Turbine zur Einstellung des Stickoxid-Verhältnisses angesteuert, wobei in einem zweiten, höheren Abgastemperaturbereich bevorzugt die ansteuerbare Ventileinrichtung stromabwärts der Abgasturbolader-Turbine zur Einstellung des Stickoxid-Verhältnisses angesteuert wird.
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Besonders bevorzugt wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens, die sich dadurch auszeichnet, dass der wenigstens eine Oxidationskatalysator betriebspunktabhängig fluidisch vor oder nach die Abgasturbolader-Turbine geschaltet wird. Besonders bevorzugt ist dabei genau ein Oxidationskatalysator vorgesehen, der betriebspunktabhängig – insbesondere abhängig von einer Abgastemperatur der Brennkraftmaschine – als fluidisch stromaufwärts der Abgasturbolader-Turbine angeordneter Oxidationskatalysator geschaltet wird, oder als fluidisch stromabwärts der Abgasturbolader-Turbine angeordneter Oxidationskatalysator geschaltet wird. Hierzu ist bevorzugt eine schaltbare Abgasleiteinrichtung vorgesehen, welche im Rahmen des Verfahrens betriebspunktabhängig angesteuert wird. Dabei wird der Oxidationskatalysator bevorzugt in einem ersten, niedrigen Abgastemperaturbereich fluidisch stromaufwärts der Abgasturbolader-Turbine geschaltet, wobei er vorzugsweise in einem zweiten, höheren Abgastemperaturbereich fluidisch stromabwärts der Abgasturbolader-Turbine geschaltet wird.
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Die Beschreibungen des Abgasnachbehandlungssystems und der Brennkraftmaschine einerseits sowie des Verfahrens andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Merkmale des Abgasnachbehandlungssystems und der Brennkraftmaschine, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Abgasnachbehandlungssystems oder der Brennkraftmaschine. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Abgasnachbehandlungssystem oder der Brennkraftmaschine beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Dieses zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal des Abgasnachbehandlungssystems oder der Brennkraftmaschine bedingt ist. Das Abgasnachbehandlungssystem und/oder die Brennkraftmaschine zeichnet/zeichnen sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Schritt einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasnachbehandlungssystem;
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2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine mit Abgasnachbehandlungssystem;
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3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiel der Brennkraftmaschine mit Abgasnachbehandlungssystem, und
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4 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine mit Abgasnachbehandlungssystem.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1 mit einem Abgasnachbehandlungssystem 3. Dieses weist einen Abgasstrang 5 auf, in dem ein Stickoxid-Katalysator 7 angeordnet ist, der eingerichtet ist zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden. Ein solcher Stickoxid-Katalysator wird auch als SCR-Katalysator (Selective-Catalytic-Reduction – SCR) bezeichnet. Stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators 7 ist in dem Abgasstrang 5 ein Oxidationskatalysator 9 angeordnet, wobei ein Umgehungspfad 11 um den Oxidationskatalysator 9 derart vorgesehen ist, dass Abgas durch den Umgehungspfad 11 entlang des Abgasstrangs 5 fluidisch parallel zu dem Oxidationskatalysator 9 strömen kann, ohne den Oxidationskatalysator 9 zu passieren. In dem Umgehungspfad 11 ist eine ansteuerbare Ventileinrichtung 13 angeordnet. Diese ist parameterabhängig ansteuerbar, um ein Verhältnis einer Stickstoffdioxid-Konzentration im Abgas zu einer Gesamt-Stickoxid-Konzentration im Abgas, das auch als Stickoxid-Verhältnis bezeichnet wird, stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators 7 zu beeinflussen. Es zeigt sich, dass die Brennkraftmaschine 1 von sich aus Stickstoffdioxid nur in sehr geringer Konzentration produziert, sodass das Stickoxid-Verhältnis ausgehend von der Brennkraftmaschine 1 in einem Quellenbereich des Abgasstrangs 5 stromaufwärts des Oxidationskatalysators 9 typischerweise geringer ist als 0,1. In dem Oxidationskatalysator 9 wird Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid aufoxidiert, sodass der Stickstoffdioxid-Anteil im Abgas relativ zu dem Stickstoffmonoxid-Anteil und damit auch relativ zu der Gesamt-Stickoxid-Konzentration erhöht wird. Dabei existiert allerdings eine Vielzahl von Betriebspunkten der Brennkraftmaschine 1, in denen die Stickstoffdioxid-Konzentration stromabwärts des Oxidationskatalysators 9 zu hoch ist. In diesen Betriebspunkten wird vorzugsweise die ansteuerbare Ventileinrichtung 13 angesteuert, sodass ein einstellbarer Abgasteilstrom an dem Oxidationskatalysator 9 durch den Umgehungspfad 11 vorbei zu dem Stickoxid-Katalysator 7 geführt wird. Dadurch kann der Stickstoffdioxid-Anteil im Abgas betriebspunktabhängig gesenkt werden, wobei er insbesondere für Betriebspunkte, in denen das Stickoxid-Verhältnis stromabwärts des Oxidationskatalysators 9 größer ist als 0,5, auf 0,5 begrenzt werden kann.
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Somit ermöglicht es der Umgehungspfad 11 mit der ansteuerbaren Ventileinrichtung 13 insbesondere, in einem breiten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine 1 ein für die Umsetzung von Stickoxiden in dem Stickoxid-Katalysator 7 – insbesondere wenn dieser Zeolithe als katalytisch aktive Beschichtung oder Substanz aufweist, besonders günstiges Verhältnis von 0,5 einzustellen.
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Es ist vorzugsweise eine Steuereinrichtung 15 vorgesehen, die einerseits mit der ansteuerbaren Ventileinrichtung 13 und andererseits mit wenigstens einem Erfassungsmittel 17 wirkverbunden ist, wobei das wenigstens eine Erfassungsmittel 17 eingerichtet ist zur Erfassung von wenigstens einem Parameter, abhängig von dem die ansteuerbare Ventileinrichtung 13 angesteuert wird, um ein bestimmtes Stickoxid-Verhältnis einzustellen. Dabei ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel das Erfassungsmittel 17 bevorzugt ausgebildet als Stickoxid-Sensor, der eingerichtet und stromaufwärts des Stickoxid-Katalysator 7 angeordnet ist, um eine Stickoxid-Konzentration im Abgas stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators 7 zu detektieren. Die Steuereinrichtung 15 ist in diesem Fall eingerichtet, um die ansteuerbare Ventileinrichtung 13 abhängig von einem Messwert des Erfassungsmittels 17, somit insbesondere abhängig von einer erfassten Stickoxid-Konzentration stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators 7, anzusteuern. Insbesondere ist eine Regelung der Stickoxid-Konzentration und ganz besonders des Stickoxid-Verhältnisses stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators 7 mittels der Steuereinrichtung 15 und durch Ansteuern der ansteuerbaren Ventileinrichtung 13 verwirklichbar.
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Alternativ ist es möglich, dass wenigstens ein Erfassungsmittel 17 vorgesehen ist, das eingerichtet ist zur Erfassung einer Abgastemperatur, insbesondere stromaufwärts des Oxidationskatalysators 9, stromabwärts eines Brennraums 19 der Brennkraftmaschine 1 oder in einem Abgaskrümmer 21 derselben, der Temperatur der Brennkraftmaschine 1, insbesondere eine Kühlmitteltemperatur, einem Abgasdruck stromaufwärts des Oxidationskatalysators 9, und/oder einem Betriebspunkt oder Lastpunkt der Brennkraftmaschine 1.
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Das Abgassystem 3 weist außerdem vorzugsweise stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators 7 eine Abgasturbolader-Turbine 23 auf, wobei bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des Abgasnachbehandlungssystems 3 der Oxidationskatalysator 9 stromaufwärts der Abgasturbolader-Turbine 23 angeordnet ist. Dadurch ist es möglich, den Umgehungspfad 11 zugleich zur Verbesserung einer Transientfähigkeit der Brennkraftmaschine 1 zu nutzen, indem dieser in transienten Zuständen und insbesondere bei Lastaufschaltung für die Brennkraftmaschine 1 genutzt wird, um einen möglichst großen Abgasteilstrom von der Brennkraftmaschine 1 direkt unter Umgehung des Oxidationskatalysators 9 zu der Abgasturbolader-Turbine 23 zu leiten. Hierdurch können Enthalpie- und Druckverluste in dem Oxidationskatalysator 9 vermieden werden, sodass die Abgasturbolader-Turbine 23 und somit auch die Brennkraftmaschine 1 insgesamt schneller hochläuft und eine verbesserte Lastannahme aufweist.
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Ferner ist vorzugsweise eine Reduktionsmittel-Dosiereinrichtung 25, die zur Vermeidung einer Zerstörung des Reduktionsmittels oder eines Reduktionsmittel-Vorläuferprodukts stromabwärts des Oxidationskatalysators 9 angeordnet ist, stromaufwärts der Abgasturbolader-Turbine 23 angeordnet. Dies ist vorteilhaft, weil auf diese Weise die Abgasturbolader-Turbine 23 als Mischstrecke zur innigen Homogenisierung des Reduktionsmittel oder des Reduktionsmittel-Vorläuferprodukts mit dem Abgas verwendet werden kann. Eine separate Mischstrecke kann dann gegebenenfalls entfallen.
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Die Brennkraftmaschine 1 ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Sie weist vorzugsweise eine Mehrzahl von Brennräumen 19 auf, von denen der besseren Übersichtlichkeit wegen hier nur einer mit dem Bezugszeichen 19 bezeichnet ist. Insbesondere ist es möglich, dass die Brennkraftmaschine 1 vier Zylinder, sechs Zylinder, acht Zylinder, zehn Zylinder, zwölf Zylinder, vierzehn Zylinder, sechzehn Zylinder, achtzehn Zylinder, zwanzig Zylinder oder vierundzwanzig Zylinder aufweist. Auch eine kleinere, größere oder andere Anzahl von Zylindern ist möglich. Die Brennkraftmaschine 1 weist außerdem einen Ladestrang 27 auf, durch welchen den Brennräumen 19 Verbrennungsluft oder ein Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch zuführbar ist. In dem Ladestrang 27 ist ein Verdichter 29 angeordnet, der hier über eine Welle 31 mit der Abgasturbolader-Turbine 23 wirkverbunden ist, sodass der Verdichter 29 über die Welle 31 durch die Abgasturbolader-Turbine 23 antreibbar ist. Insgesamt weist die Brennkraftmaschine 1 beziehungsweise das Abgasnachbehandlungssystem 3 auf diese Weise einen Abgasturbolader 33 auf. Diese kann im Übrigen ein- oder mehrstufig ausgebildet sein. Insbesondere ist es möglich, dass anstelle der in 1 schematisch dargestellten, einen Abgasturbolader-Turbine 23 eine Hochdruck-Abgasturbolader-Turbine und eine Niederdruck-Abgasturbolader-Turbine vorgesehen sind. Auch eine Registeraufladung oder eine andere Konfiguration von Aufladeeinrichtungen und insbesondere Abgasturbolader-Turbinen im Abgasstrang 5 sind möglich. Anhand eines ersten Pfeils P1 ist hier schematisch eine Abgasströmung entlang des Abgasstrangs 5 dargestellt. Durch einen zweiten Pfeil P2 ist schematisch eine Strömungsrichtung von Verbrennungsluft oder einem Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch entlang des Ladestrangs 27 dargestellt.
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Die Reduktionsmittel-Dosiereinrichtung 25 ist eingerichtet zur Eindosierung eines Reduktionsmittels oder eines Reduktionsmittel-Vorläuferprodukts in den Abgasstrang 5. Insbesondere ist sie bevorzugt eingerichtet zur Eindosierung einer Harnstoff-Wasser-Lösung in das heiße, in dem Abgasstrang 7 strömende Abgas.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine 1 mit dem Abgasnachbehandlungssystem 3. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Oxidationskatalysator 9 stromabwärts der Abgasturbolader-Turbine 23 angeordnet. Während die Anordnung des Oxidationskatalysators 9 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel nach 1 stromaufwärts der Abgasturbolader-Turbine 23 insbesondere geeignet ist, um in einem ersten, niedrigeren Abgastemperaturbereich ein bestimmtes Stickoxid-Verhältnis – insbesondere von 0,5 – einzustellen, ist die Konfiguration gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel nach 2 mit dem stromabwärts der Abgasturbolader-Turbine 23 angeordneten Oxidationskatalysator 9 insbesondere geeignet, um in einem zweiten, höheren Abgastemperaturbereich ein bestimmtes Stickoxid-Verhältnis – insbesondere von 0,5 – stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators 7 einzustellen. Im Übrigen sind die Funktionsweisen des ersten Ausführungsbeispiels und des zweiten Ausführungsbeispiels analog zueinander.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Brennkraftmaschine 1 mit Abgasnachbehandlungssystem 3. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel ist ein erster Oxidationskatalysator 9.1 stromaufwärts der Abgasturbolader-Turbine 23 angeordnet, wobei ein zweiter Oxidationskatalysator 9.2 stromabwärts der Abgasturbolader-Turbine 23 angeordnet ist. Dem ersten Oxidationskatalysator 9.1 ist ein erster Umgehungspfad 11.1 mit einer ersten, ansteuerbaren Ventileinrichtung 13.1 zugeordnet. Den zweiten Oxidationskatalysator 9.2 ist ein zweiter Umgehungspfad 11.2 mit einer zweiten ansteuerbaren Ventileinrichtung 13.2 zugeordnet.
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Mit diesem Ausführungsbeispiel lässt sich ein besonders großer Kennfeldbereich oder Bereich von Betriebspunkten der Brennkraftmaschine 1 mit einem bestimmten Stickoxid-Verhältnis stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators 7 darstellen. Es sind quasi zwei Oxidationskatalysator-Umgehungspfad-Einheiten vorgesehen, jeweils vor und nach der Abgasturbolader-Turbine 23. In einem ersten, niedrigeren Abgastemperaturbereich wird das Stickoxid-Verhältnis stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators vorzugsweise durch Ansteuern der ersten ansteuerbaren Ventileinrichtung 13.1 eingestellt, wobei es möglich ist, dass in einem solchen Betriebszustand die zweite ansteuerbare Ventileinrichtung 13.2 maximal weit geöffnet ist, sodass ein maximaler Abgasteilstrom den zweiten Oxidationskatalysator 9.2 umströmt, sodass dieser nur einen minimalen Effekt auf die Stickoxid-Konzentration im Abgas hat. In einem zweiten, höheren Abgastemperaturbereich wird das Stickoxid-Verhältnis vorzugsweise durch Ansteuern der zweiten ansteuerbaren Ventileinrichtung 13.2 eingestellt. Es ist dabei möglich, dass die erste ansteuerbare Ventileinrichtung 13.1 vorzugsweise maximal weit geöffnet ist, sodass ein möglichst großer Abgasteilstrom an dem ersten Oxidationskatalysator 9.1 vorbei direkt zu der Abgasturbolader-Turbine 23 strömen kann, wobei der erste Oxidationskatalysator 9.1 dann nur einen minimalen Einfluss auf die Stickoxid-Konzentration im Abgas hat.
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Durch die Variabilität der beiden Oxidationskatalysatoren 9.1, 9.2 und der Ansteuerung der beiden ansteuerbaren Ventileinrichtungen 13.1, 13.2 ist es – wie bereits zuvor angedeutet – möglich, über einen großen Kennfeldbereich der Brennkraftmaschine 1 ein bestimmtes Stickoxid-Verhältnis, insbesondere von 0,5, stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators 7 in bestimmter Weise einzustellen, es insbesondere auf 0,5 zu regeln.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der Brennkraftmaschine 1 mit Abgasnachbehandlungseinrichtung 3. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Abgasnachbehandlungssystem 3 eine schaltbare Abgasleiteinrichtung 35 auf, die einerseits in eine erste Funktionsstellung schaltbar ist, in welcher der vorzugsweise einzige Oxidationskatalysator 9 stromaufwärts der Abgasturbolader-Turbine 23 angeordnet ist, wobei die schaltbare Abgasleiteinrichtung 35 andererseits in eine zweite Funktionsstellung schaltbar ist, in welcher der Oxidationskatalysator 9 stromabwärts der Abgasturbolader-Turbine 23 angeordnet ist. Die Abgasleiteinrichtung 35 ist dabei vorzugsweise von der in 4 nicht dargestellten Steuereinrichtung 15 ansteuerbar. Es zeigt sich weiterhin, dass der Oxidationskatalysator 9 bevorzugt – insbesondere geometrisch – parallel zu der Abgasturbolader-Turbine 23 angeordnet ist.
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Die schaltbare Abgasleiteinrichtung 35 weist hier einen ersten Leitungsabschnitt 37 auf, der von einem stromaufwärts der Abgasturbolader-Turbine 23 angeordneten, ersten Abgaspfad 39 des Abgasstrangs 5 abzweigt. Dabei ist der erste Leitungsabschnitt 37 mit einem Einlass 41 des Oxidationskatalysators 9 verbunden. Ein zweiter Leitungsabschnitt 43 mündet stromabwärts der Abzweigung des ersten Leitungsabschnitts 37 in den ersten Abgaspfad 39, wobei der zweite Leitungsabschnitt 43 mit einem Auslass 45 des Oxidationskatalysators 9 verbunden ist.
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Von einem stromabwärts der Abgasturbolader-Turbine 23 angeordneten, zweiten Abgaspfad 47 zweigt ein dritter Leitungsabschnitt 49 ab, der mit dem Einlass 41 des Oxidationskatalysators 9 verbunden ist. Insbesondere mündet der vierte Leitungsabschnitt 49 in den ersten Leitungsabschnitt 37. Ein vierter Leitungsabschnitt 51 mündet stromabwärts der Abzweigung des dritten Leitungsabschnitts 49 in den zweiten Abgaspfad 47, wobei der vierte Leitungsabschnitt 51 mit dem Auslass 45 des Oxidationskatalysators 9 verbunden ist. Insbesondere zweigt der vierte Leitungsabschnitt 51 aus dem zweiten Leitungsabschnitt 43 ab.
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Zwischen der Abzweigung des ersten Leitungsabschnitts 37 und der Mündung des zweiten Leitungsabschnitts 43 erstreckt sich entlang des ersten Abgaspfads 39 ein erster Steuerabschnitt als erster Umgehungspfad 11.1. In diesem ersten Steuerabschnitt oder ersten Umgehungspfad 11.1 ist eine erste, ansteuerbare Ventileinrichtung 13.1 angeordnet.
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Zwischen der Abzweigung des dritten Leitungsabschnitts 49 und der Mündung des vierten Leitungsabschnitts 51 in dem zweiten Abgaspfad 47 erstreckt sich ein zweiter Steuerabschnitt in dem zweiten Abgaspfad 47 als zweiter Umgehungspfad 11.2. In diesem zweiten Umgehungspfad 11.2 ist eine zweite ansteuerbare Ventileinrichtung 13.2 angeordnet.
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Im Übrigen sind in dem ersten Leitungsabschnitt 37 eine dritte ansteuerbare Ventileinrichtung 53, in dem zweiten Leitungsabschnitt 43 eine vierte ansteuerbare Ventileinrichtung 55, in dem dritten Leitungsabschnitt 49 eine fünfte ansteuerbare Ventileinrichtung 57 und in dem vierten Leitungsabschnitt 51 eine sechste ansteuerbare Ventileinrichtung 59 angeordnet.
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In der ersten Funktionsstellung der schaltbaren Abgasleiteinrichtung 35 sind die dritte und vierte Ventileinrichtung 53, 55 geöffnet, wobei die fünfte und sechste Ventileinrichtung 57, 59 geschlossen sind. Die zweite Ventileinrichtung 13.2 ist vollständig oder maximal geöffnet. Die erste Ventileinrichtung 13.1 in dem ersten Umgehungspfad 11.1 wird parameterabhängig angesteuert, insbesondere um das bestimmte Stickoxid-Verhältnis stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators 7 einzustellen. Dabei wird das Abgas über den ersten Leitungsabschnitt 37 und den Einlass 41 durch den Oxidationskatalysator 9, den Auslass 45 und über den zweiten Leitungsabschnitt 43 und anschließend zu der Abgasturbolader-Turbine 23 geleitet. Der Oxidationskatalysator 9 ist demnach in der ersten Funktionsstellung der schaltbaren Abgasleiteinrichtung 35 stromaufwärts der Abgasturbolader-Turbine 23 angeordnet. Dabei dient der erste Steuerabschnitt als erster Umgehungpfad 11.1, und die ansteuerbare Ventileinrichtung 13.1 wird – wie bereits ausgeführt – angesteuert, um einen bestimmten, parameterabhängig einstellbaren Abgasteilstrom an dem Oxidationskatalysator 9 vorbei zu dem Stickoxid-Katalysator 7 zu führen. Stromabwärts der Abgasturbolader-Turbine 23 strömt das Abgas durch die vollständig oder maximal geöffnete, zweite Ventileinrichtung 13.2 zu dem Stickoxid-Katalysator 7, ohne den Oxidationskatalysator 9 zu passieren.
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In der zweiten Funktionsstellung der schaltbaren Abgasleiteinrichtung 35 sind die dritte und vierte Ventileinrichtung 53, 55 geschlossen, und die fünfte und sechste Ventileinrichtung 57, 59 sind geöffnet. Die erste ansteuerbare Ventileinrichtung 13.1 ist vorzugsweise vollständig oder maximal geöffnet, und die zweite ansteuerbare Ventileinrichtung 13.2 wird parameterabhängig angesteuert, um das Stickoxid-Verhältnis stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators 7 einzustellen. Dabei strömt Abgas von den Brennräumen 19 zunächst vorzugsweise ungehindert durch die erste ansteuerbare Ventileinrichtung 13.1 zu der Abgasturbolader-Turbine 23, ohne den Oxidationskatalysator 9 zu durchströmen. Stromabwärts der Abgasturbolader-Turbine 23 gelangt das Abgas über den dritten Leitungsabschnitt 49 zu dem Einlass 41, strömt durch den Oxidationskatalysator 9, durch den Auslass 45 und von dort über den vierten Leitungsabschnitt 51 zurück in den Abgasstrang 5. Dabei wird – wie bereits angedeutet – die zweite ansteuerbare Ventileinrichtung 13.2 in dem zweiten Umgehungspfad 11.2 parameterabhängig angesteuert, um einen einstellbaren Abgasteilstrom an dem Oxidationskatalysator 9 vorbei in den Stickoxid-Katalysator 7 zu führen.
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Vorzugsweise wird die schaltbare Abgasleiteinrichtung 35 in einem ersten, niedrigeren Abgastemperaturbereich in ihre erste Funktionsstellung geschaltet, wobei sie in einem zweiten, höheren Abgastemperaturbereich in ihre zweite Funktionsstellung geschaltet wird. Somit können – wie bei dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß 3 – sehr breite Kennfeldbereiche und insbesondere Abgastemperaturbereiche in der Brennkraftmaschine 1 in Hinblick auf eine optimale Einstellung des Stickoxid-Verhältnis stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators 7 abgedeckt werden. Dabei bedarf es allerdings nur eines Oxidationskatalysators 9.
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Die schaltbare Abgasleiteinrichtung 35 kann aber auch genutzt werden, um einen Abgasturbolader-Turbinen-Bypass zu verwirklichen, indem das Abgas durch geeignete Ansteuerung der ansteuerbaren Ventileinrichtung 13.1, 13.2, 53, 55, 57, 59 geeignet um die Abgasturbolader-Turbine 23 herumgeleitet wird.
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Insgesamt zeigt sich, dass es mithilfe des Abgasnachbehandlungssystems 3 bei der Brennkraftmaschine 1 und mittels des Verfahrens möglich ist, ein zur Stickoxid-Reduktion optimales Stickoxid-Verhältnis stromaufwärts des Stickoxid-Katalysators 7 über einen weiten Kennfeldbereich der Brennkraftmaschine 1 einzustellen.
