DE102016112363B4 - exhaust aftertreatment system - Google Patents
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Abstract
Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor (11) umfassend eine Abgaspassage (12), einen SCR-F-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden mit einem Filter und einen Stickoxid-Speicherkatalysator, dadurch gekennzeichnet, dass in der Flussrichtung des Abgases durch die Abgaspassage (12) der Stickoxid-Speicherkatalysator (37, LNT) hinter dem SCR-F-Katalysator (18, SCR-F) angeordnet ist, und dass das Abgasnachbehandlungssystem (10) dazu ausgebildet ist, dem Abgas zur Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators (37, LNT) zweitweise ein Reduktionsmittel beizugeben, und dass in der Flussrichtung des Abgases durch die Abgaspassage (12) vor dem SCR-F-Katalysator (18, SCR-F) zusätzlich ein passiver Stickoxid-Adsorber (30, PNA) angeordnet ist, der dazu ausgebildet ist in einem ersten niedrigen Temperaturbereich Stickoxide einzuspeichern und in einem zweiten Temperaturbereich die gespeicherten Stickoxide wieder abzugeben. Exhaust aftertreatment system for an internal combustion engine (11) comprising an exhaust gas passage (12), an SCR-F catalytic converter for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides with a filter and a nitrogen oxide storage catalytic converter, characterized in that in the flow direction of the exhaust gas through the exhaust gas passage (12) the nitrogen oxide storage catalytic converter (37, LNT) is arranged behind the SCR-F catalytic converter (18, SCR-F), and that the exhaust gas aftertreatment system (10) is designed to use the exhaust gas to regenerate the nitrogen oxide storage catalytic converter (37, LNT) secondly adding a reducing agent, and that in the flow direction of the exhaust gas through the exhaust gas passage (12) in front of the SCR-F catalytic converter (18, SCR-F) a passive nitrogen oxide adsorber (30, PNA) is additionally arranged, which is designed for this purpose store nitrogen oxides in a first low temperature range and release the stored nitrogen oxides again in a second temperature range.
Description
Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor.The invention relates to an exhaust aftertreatment system for an internal combustion engine.
Aus
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In der Praxis ist es üblich, in einem Abgasnachbehandlungssystem, insbesondere an einem Dieselmotor, einen SCR-F-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, der auch einen Filter enthält, und einen Stickoxid-Speicherkatalysator vorzusehen. Bei den bisher bekannten Systemen wird der Stickoxid-Speicherkatalysator in der Flussrichtung des Abgases vor dem SCR-F-Katalysator angeordnet, sodass zuerst der Stickoxid-Speicherkatalysator und anschließend der SCR-F-Katalysator von Abgas durchströmt werden. Diese Ausbildung eines Abgasnachbehandlungssystems wird insbesondere verwendet, um Stickoxid-Emissionen unter die Grenzwerte zu bringen, die für den sogenannten Real Driving Emission Test vorgeschrieben sind.In practice, it is customary to provide an SCR-F catalytic converter for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides, which also contains a filter, and a nitrogen oxide storage catalytic converter in an exhaust gas aftertreatment system, in particular on a diesel engine. In the previously known systems, the nitrogen oxide storage catalytic converter is arranged upstream of the SCR-F catalytic converter in the flow direction of the exhaust gas, so that exhaust gas first flows through the nitrogen oxide storage catalytic converter and then through the SCR-F catalytic converter. This design of an exhaust aftertreatment system is used in particular to bring nitrogen oxide emissions below the limit values that are prescribed for the so-called Real Driving Emission Test.
Der Stickoxid-Speicherkatalysator wird dabei verwendet, um bei niedrigen Abgastemperaturen, insbesondere nach einem Kaltstart, Stickoxide einzuspeichern. Mit steigenden Abgastemperaturen können Stickoxide in dem dahinter angeordneten SCR-F-Katalysator zu Stickstoff reduziert werden. Bei den bisherigen Systemen wird der Stickoxid-Speicherkatalysator häufig regeneriert, indem die Abgastemperatur angehoben wird und ein fettes Gemisch im Abgas erzeugt wird. Dabei werden die in dem Stickoxid-Speicherkatalysator enthaltenen Stickoxide wieder abgegeben und durch Reaktion mit dem fetten Abgas zu Stickstoff reduziert.The nitrogen oxide storage catalytic converter is used to store nitrogen oxides at low exhaust gas temperatures, especially after a cold start. With increasing exhaust gas temperatures, nitrogen oxides can be reduced to nitrogen in the SCR-F catalytic converter arranged downstream. In previous systems, the nitrogen oxide storage catalytic converter was frequently regenerated by raising the exhaust gas temperature and creating a rich mixture in the exhaust gas. The nitrogen oxides contained in the nitrogen oxide storage catalytic converter are released again and reduced to nitrogen by reacting with the rich exhaust gas.
Vor dem SCR-F-Katalysator wird Urea (Harnstoff / Harnstofflösung) oder eine Ammoniak-haltige Lösung beigegeben, die in dem SCR-F-Katalysator reagiert. Es kann allerdings zum Hindurchtreten von Ammoniak durch den SCR-F-Katalysator oder zu einer Übersättigung des SCR-F-Katalysators mit Ammoniak kommen, wobei jeweils überschüssiger Ammoniak am Ausgang des SCR-F-Katalysators austritt (sog. Ammoniak Slip). Bei den vorbekannten Systemen ist in der Flussrichtung des Abgases also hinter dem SCR-F-Katalysator ein zusätzlicher Ammoniak Slip Katalysator erforderlich, durch den etwaig aus dem SCR-F-Katalysator austretendes (giftiges) Ammoniak zu Stickstoff und Wasser reduziert wird.Urea (urea/urea solution) or a solution containing ammonia is added upstream of the SCR-F catalytic converter, which reacts in the SCR-F catalytic converter. However, ammonia can pass through the SCR-F catalytic converter or the SCR-F catalytic converter can become oversaturated with ammonia, with excess ammonia escaping at the outlet of the SCR-F catalytic converter (so-called ammonia slip). In the previously known systems, an additional ammonia slip catalyst is required in the flow direction of the exhaust gas downstream of the SCR-F catalyst, through which any (toxic) ammonia escaping from the SCR-F catalyst is reduced to nitrogen and water.
Ein weiteres Problem der bisher bekannten Systeme besteht darin, dass die Umwandlungseffizienz eines SCR-F-Katalysators bei instationären Betriebszuständen des Verbrennungsmotors (transient operation) beeinträchtigt sein kann, sodass keine ausreichende Entfernung von Stickoxiden im Abgas erfolgt. In dem in die Atmosphäre austretenden Abgas können somit unerwünschte Stickoxid-Spitzen auftreten.A further problem of the previously known systems is that the conversion efficiency of an SCR-F catalytic converter can be impaired in transient operating states of the internal combustion engine (transient operation), so that there is insufficient removal of nitrogen oxides in the exhaust gas. Undesirable nitrogen oxide peaks can therefore occur in the exhaust gas escaping into the atmosphere.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Abgasnachbehandlungssystem und ein zugehöriges Betriebsverfahren aufzuzeigen.It is the object of the present invention to provide an improved exhaust gas aftertreatment system and an associated operating method.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der eigenständigen Ansprüche.The invention solves this problem through the characterizing features of the independent claims.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird vorgeschlagen, den Stickoxid-Speicherkatalysator in der Flussrichtung des Abgases durch die Abgaspassage hinter dem SCR-F-Katalysator anzuordnen. Ferner wird vorgeschlagen, das Abgasnachbehandlungssystem dazu auszubilden, dem Abgas zur Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators zeitweise ein Reduktionsmittel beizugeben. Besonders bevorzugt wird eine aktive Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators, der im Wesentlichen im Endbereich der Abgas-Passage angeordnet ist, selektiv bzw. bedarfsgerecht in Abhängigkeit von der Erfassung von Stickoxiden hinter dem Stickoxid-Speicherkatalysator ausgeführt. Die Regeneration wird mit anderen Worten nur ausgeführt, wenn dies zur Einhaltung vorgeschriebener Grenzwerte erforderlich ist. Andernfalls kann bei einem nahezu oder vollständig gesättigten Stickoxid-Speicherkatalysator eine aktive Regeneration verzögert oder eine lediglich passive Regeneration durchgeführt werden, bei der eingespeicherte Stickoxide abgelassen aber nicht oder nur in sehr geringem Maße umgewandelt werden.According to the present disclosure, it is proposed to arrange the nitrogen oxide storage catalyst downstream of the SCR-F catalyst in the flow direction of the exhaust gas through the exhaust gas passage. Furthermore, it is proposed that the exhaust gas aftertreatment system be designed to temporarily add a reducing agent to the exhaust gas for the purpose of regenerating the nitrogen oxide storage catalytic converter. Active regeneration of the nitrogen oxide storage catalytic converter, which is arranged essentially in the end area of the exhaust gas passage, is particularly preferably carried out selectively or as required depending on the detection of nitrogen oxides downstream of the nitrogen oxide storage catalytic converter. In other words, regeneration is only performed if this is necessary to comply with prescribed limit values. Otherwise, with a nitrogen oxide storage catalytic converter that is almost or completely saturated, active regeneration can be delayed or only passive regeneration can be carried out, in which stored nitrogen oxides are discharged but not converted or only converted to a very small extent.
Die vorgenannte Anordnung von SCR-F-Katalysator und Stickoxid-Speicherkatalysator hat den Vorteil, dass der Stickoxid-Speicherkatalysator hinter dem SCR-F-Katalysator ebenfalls die Aufgabe übernehmen kann, überschüssigen Ammoniak zu reduzieren. Es ist somit nicht erforderlich, einen zusätzlichen Ammoniak Slip Katalysator vorzusehen. Durch die Anordnung hinter dem SCR-F-Katalysator kann der Stickoxid-Speicherkatalysator, wo eine grundsätzlich geringere Konzentration von Stickoxiden und anderen Emissionen im Abgas zu erwarten ist, weiterhin kleiner dimensioniert sein, wodurch Kosteneinsparungen erreichbar sind.The aforementioned arrangement of SCR-F catalytic converter and nitrogen oxide storage catalytic converter has the advantage that the nitrogen oxide storage catalytic converter behind the SCR-F catalytic converter can also take on the task of reducing excess ammonia. It is therefore not necessary to provide an additional ammonia slip catalyst. Due to the arrangement behind the SCR-F catalytic converter, the nitrogen oxide storage catalytic converter, where a fundamentally lower concentration of nitrogen oxides and other emissions in the exhaust gas is to be expected, can continue to have smaller dimensions, which means that cost savings can be achieved.
Es wird ferner eine besonders gute Umwandlungseffizienz für Stickstoffdioxid erreicht, worauf in dem Real Driving Emission Test besonderen Wert gelegt wird.Furthermore, a particularly good conversion efficiency for nitrogen dioxide is achieved, which is particularly important in the Real Driving Emission Test.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen enthalten.Further advantageous refinements of the invention are contained in the dependent claims, the following description and the attached drawings.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft und schematisch dargestellt. Es zeigen:
-
1 : Ein Abgasnachbehandlungssystem gemäß dem Stand der Technik; -
2 : ein Abgasnachbehandlungssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung; -
3 und4 : Ablaufdiagramme zur Erläuterung eines Vorgangs zur selektiven Regenerierung eines Stickoxid-Speicherkatalysators.
-
1 : A prior art exhaust aftertreatment system; -
2 : an exhaust aftertreatment system according to the present disclosure; -
3 and4 : Flow charts explaining a process for selective regeneration of a nitrogen oxide storage catalyst.
In dem in
Das Abgasnachbehandlungssystem (10) gemäß
Gemäß einer ersten Ausführungsvariante wird die Reduktionsmittelbeigabe in einem Bereich Stromaufwärts zu dem SCR-F-Katalysator (18, SCR-F), ausgeführt, insbesondere durch Beigabe von unverbranntem Kraftstoff in das Abgas im Bereich des Verbrennungsmotors (11). Dies kann insbesondere durch die Ausführung von Nacheinspritzungen (Post-injections) erfolgen. Gemäß einer anderen Ausführungsvariante kann alternativ oder zusätzlich ein Reduktionsmittel-Injektor (34), vorgesehen sein, der zur Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators (37, LNT) betätigt wird, um dem Abgas Kraftstoff oder ein separates Reduktionsmittel beizugeben. Dieser Reduktionsmittel-Injektor (34) ist bevorzugt in einem Bereich der Abgas-Passage (12) zwischen dem SCR-F-Katalysator (18, SCR-F), und dem Stickoxid-Speicherkatalysator (37, LNT) angeordnet.According to a first embodiment variant, the reducing agent is added in an area upstream of the SCR-F catalytic converter (18, SCR-F), in particular by adding unburned fuel to the exhaust gas in the area of the internal combustion engine (11). This can be done in particular by carrying out post-injections. According to another embodiment variant, a reducing agent injector (34) can be provided as an alternative or in addition, which is actuated to regenerate the nitrogen oxide storage catalytic converter (37, LNT) in order to add fuel or a separate reducing agent to the exhaust gas. This reducing agent injector (34) is preferably in an area of the exhaust gas pas say (12) between the SCR-F catalytic converter (18, SCR-F) and the nitrogen oxide storage catalytic converter (37, LNT).
Moderne SCR-F-Katalysatoren (18, SCR-F), können bereits in einem breiten Temperaturbereich eine effiziente Umwandlung von Stickoxiden (NOx) ausführen. Es ist allerdings bekannt, dass in instationären Zuständen des Verbrennungsmotors eine geringe Gleichmäßigkeit des Abgases vorliegt, die die Umwandlungseffizienz des SCR-F-Katalysators beeinträchtigen kann. Aus diesem Grund können bei instationären Zuständen des Motors sogenannte NOx-Spitzen auftreten, die durch den SCR-F-Katalysator nicht in ausreichendem Maße abgefangen werden können.Modern SCR-F catalytic converters (18, SCR-F) can already efficiently convert nitrogen oxides (NOx) over a wide temperature range. However, it is known that in transient conditions of the internal combustion engine, there is poor uniformity in the exhaust gas, which can affect the conversion efficiency of the SCR-F catalyst. For this reason, so-called NOx peaks can occur when the engine is in non-stationary states, which cannot be adequately intercepted by the SCR-F catalytic converter.
Die Anordnung des Stickoxid-Speicherkatalysators (37, LNT), in der Flussrichtung des Abgases hinter dem SCR-F-Katalysator (18, SCR-F), bietet den Vorteil, dass der Stickoxid-Speicherkatalysator (37, LNT), auch diese NOx-Spitzen abfangen kann. Da der Stickoxid-Speicherkatalysator (37, LNT), eher zum Ende der Abgaspassage (12) angeordnet ist, wo er von einem Abgas mit einer deutlich verminderten Temperatur durchströmt wird, kann für nahezu alle Betriebszustände des Verbrennungsmotors (11) eine Einspeicherung von Stickoxiden erreicht werden. Weiterhin tragen die im Anfangs- und Mittelbereich der Abgaspassage (12) angeordneten Behandlungsaggregate einer guten Durchmischung bei, welche eine Reaktion in dem Stickoxid-Speicherkatalysator (37, LNT) begünstigt.The arrangement of the nitrogen oxide storage catalyst (37, LNT), in the flow direction of the exhaust gas behind the SCR-F catalyst (18, SCR-F), offers the advantage that the nitrogen oxide storage catalyst (37, LNT), this NOx -Capable of absorbing spikes. Since the nitrogen oxide storage catalytic converter (37, LNT) is arranged towards the end of the exhaust gas passage (12), where exhaust gas with a significantly reduced temperature flows through it, storage of nitrogen oxides can be achieved for almost all operating states of the internal combustion engine (11). become. Furthermore, the treatment units arranged in the initial and central area of the exhaust gas passage (12) contribute to good mixing, which promotes a reaction in the nitrogen oxide storage catalytic converter (37, LNT).
In der Flussrichtung des Abgases vor dem SCR-F-Katalysator (18, SCR-F), kann bevorzugt zusätzlich ein passiver Stickoxid-Absorber (30), (PNA - Passiv NOx Adsorber) angeordnet sein. Im Vergleich zu einem Stickoxid-Speicherkatalysator (LNT-Lean NOx Trap / Active NOx Adsorber) bedarf der passive Stickoxid-Adsorber nicht der Bereitstellung eines fetten Abgasgemisches, um eingespeicherte Stickoxide (NOx) wieder abzugeben. Der passive Stickoxid-Adsorber (30, PNA) kann vielmehr in einem ersten niedrigen Temperaturbereich, beispielsweise bis etwa 200° Celsius, Stickoxide einspeichern. In einem zweiten Temperaturbereich des Abgases, der beispielsweise über circa 200° Celsius liegt, kann der passive Stickoxid-Adsorber (30, PNA), die gespeicherten Stickoxide (NOx) wieder abgeben, ohne dabei (direkt bzw. selbst) eine katalytische Reduktion auszuführen oder zu unterstützen.A passive nitrogen oxide absorber (30) (PNA—passive NOx adsorber) can preferably also be arranged upstream of the SCR-F catalytic converter (18, SCR-F) in the flow direction of the exhaust gas. Compared to a nitrogen oxide storage catalytic converter (LNT-Lean NOx Trap / Active NOx Adsorber), the passive nitrogen oxide adsorber does not need to provide a rich exhaust gas mixture in order to release stored nitrogen oxides (NOx) again. Rather, the passive nitrogen oxide adsorber (30, PNA) can store nitrogen oxides in a first low temperature range, for example up to about 200° Celsius. In a second temperature range of the exhaust gas, which is above approximately 200° Celsius, for example, the passive nitrogen oxide adsorber (30, PNA) can release the stored nitrogen oxides (NOx) again without (directly or itself) carrying out a catalytic reduction or to support.
Andererseits kann der passive Stickoxid-Adsorber (30, PNA), die Funktionalität eines Dieseloxidationskatalysators (DOC) bieten, also zumindest eine Umwandlung von Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO) durchführen.On the other hand, the passive nitrogen oxide adsorber (30, PNA) can offer the functionality of a diesel oxidation catalyst (DOC), ie it can at least convert hydrocarbons (HC) and carbon monoxide (CO).
Das Abgasnachbehandlungssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung ist bevorzugt dazu ausgebildet, nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors (11) bis zum Erreichen einer Abgastemperatur von etwa 200° Celsius auftretende Stickoxide (NOx) in dem passiven Stickoxid-Adsorber (30) PNA einzuspeichern. Sobald die Abgastemperatur den Wert von etwa 200° Celsius überschreitet, können die von dem Verbrennungsmotor (11) erzeugten Stickoxide sowie die etwaig aus dem passiven Stickoxid-Adsorber (30, PNA), gespeicherten und wieder freigegebenen Stickoxide (NOx) in dem SCR-F-Katalysator (18, SCR-F), umgewandelt werden. Dies kann insbesondere in an sich bekannter Weise unter Beigabe einer Harnstofflösung (Urea) erfolgen. Entsprechend kann in der Flussrichtung des Abgases vor dem SCR-F-Katalysator und insbesondere zwischen dem passiven Stickoxid-Adsorber (30, PNA) und dem SCR-F-Katalysator (18, SCR-F) ein Urea-Injektor / Harnstoff-Injektor / Ammoniak-Injektor angeordnet sein.The exhaust gas aftertreatment system according to the present disclosure is preferably designed to store nitrogen oxides (NOx) occurring after a cold start of the internal combustion engine (11) until an exhaust gas temperature of approximately 200° Celsius is reached in the passive nitrogen oxide adsorber (30) PNA. As soon as the exhaust gas temperature exceeds the value of around 200° Celsius, the nitrogen oxides generated by the internal combustion engine (11) and any nitrogen oxides (NOx) stored and released again from the passive nitrogen oxide adsorber (30, PNA) can be stored in the SCR-F -Catalyst (18, SCR-F) to be converted. This can be done in a manner known per se with the addition of a urea solution (urea). Correspondingly, in the direction of flow of the exhaust gas, a urea injector/urea injector/ Ammonia injector can be arranged.
Der passive Stickoxid-Adsorber (30, PNA), ist deutlich günstiger als ein Ammoniak Slip Kondensator (20). Die Ausbildung des Abgasnachbehandlungssystems (10) gemäß
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Offenbarung ist ein Ozon-Injektor (35) (auch Plasma-Injektor genannt) in der Flussrichtung des Abgases vor dem SCR-F-Katalysator und insbesondere hinter dem passiven Stickoxid-Adsorber (30, PNA), angeordnet. Die Beigabe von Ozon (O3) in das Abgas dient insbesondere im Bereich vor dem SCR-F-Katalysator dazu, Stickstoff-Monoxid (NO) in StickstoffDioxid (NO2) umzuwandeln. Hierdurch wird die Umwandlungseffizienz in dem SCR-F-Katalysator (18, SCR-F), weiter begünstigt. Wenn die Beigabe von Ozon erst hinter dem passiven Stickoxid-Adsorber (30, PNA), erfolgt, der auch die Funktion eines DieselOxidationskatalysators hat, wird das Ozon (03) in ein Abgas beigegeben, das im Wesentlichen von Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO) bereinigt ist (weil der passive Stickoxid-Adsorber als Oxidationskatalysator wirken kann). Somit steht ein maximaler Anteil des beigegebenen Ozons für die erwünschte Reaktion mit Stickstoffmonoxid zur Verfügung. Es wird vermieden, dass ein Anteil des beigegebenen Ozons (03) durch eine unerwünschte Reaktion mit Kohlenwasserstoff (HC) im Abgas zu Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) reagiert, oder durch eine weitere unerwünschte Reaktion mit Kohlenmonoxid (CO) zu Kohlenstoffdioxid (CO2) und Sauerstoff (02) reagiert.According to a preferred development of the disclosure, an ozone injector (35) (also called a plasma injector) is arranged upstream of the SCR-F catalytic converter and in particular downstream of the passive nitrogen oxide adsorber (30, PNA) in the flow direction of the exhaust gas. The addition of ozone (O 3 ) to the exhaust gas serves to convert nitrogen monoxide (NO) into nitrogen dioxide (NO2), particularly in the area upstream of the SCR-F catalytic converter. This further favors the conversion efficiency in the SCR-F catalyst (18, SCR-F). If the ozone is only added after the passive nitrogen oxide adsorber (30, PNA), which also has the function of a diesel oxidation catalyst, the ozone (03) is added to an exhaust gas that essentially consists of hydrocarbons (HC) and carbon monoxide ( CO) is cleaned (because the passive nitrogen oxide adsorber can act as an oxidation catalyst). Thus, a maximum proportion of the added ozone is available for the desired reaction with nitrogen monoxide. It will avoid that one Percentage of added ozone (03) reacts to carbon dioxide (CO2) and water (H2O) through an undesired reaction with hydrocarbons (HC) in the exhaust gas, or through another undesired reaction with carbon monoxide (CO) to form carbon dioxide (CO2) and oxygen (02 ) reacted.
Alternativ oder zusätzlich kann in dem AbgasNachbehandlungssystem (10) gemäß der vorliegenden Offenbarung ein Ozon-Injektor (36) (auch Plasma-Injektor genannt) in einem Bereich hinter dem SCR-F-Katalysator (18, SCR-F), und vor dem Stickoxid-Speicherkatalysator (37, LNT), angeordnet sein. Die Beigabe von Ozon (03) an dieser Stelle hat den Vorteil, dass die Speicherungseffizienz des Stickoxid-Speicherkatalysators (37, LNT), für niedrige Temperaturen erhöht wird, also insbesondere für einen Zeitraum nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors (11) oder im Stop&Go Verkehr.Alternatively or additionally, in the exhaust aftertreatment system (10) according to the present disclosure, an ozone injector (36) (also called plasma injector) in an area behind the SCR-F catalyst (18, SCR-F), and before the nitrogen oxide - Storage catalytic converter (37, LNT) can be arranged. The addition of ozone (03) at this point has the advantage that the storage efficiency of the nitrogen oxide storage catalytic converter (37, LNT) is increased for low temperatures, i.e. in particular for a period after a cold start of the internal combustion engine (11) or in stop-and-go traffic .
In dem Abgasnachbehandlungssystem (10) gemäß der vorliegenden Offenbarung können - insbesondere in Bezug auf die Einhaltung der Grenzwerte für den Real Driving Emission-Test - der SCR-F-Katalysator (18, SCR-F), der Stickoxid-Speicherkatalysator (37, LNT), und der passive Stickoxid-Adsorber (30, PNA), besonders effizient genutzt werden. Dies ermöglicht insbesondere eine besonders konservative Einspritzstrategie für die Beigabe von Urea oder Ammoniak. Falls die in dem SCR-F-Katalysator (18, SCR-F), momentan enthaltene Menge an Ammoniak (NH3) nicht ausreichend sein sollte, um eine hohe Stickoxidumwandlungsrate zu gewährleisten, insbesondere während instationären Betriebszuständen des Motors, wenn eine ungenügende Einheitlichkeit des Abgases vorliegt, können durch den SCR-F-Katalysator hindurchtretende Stickoxide (NOx)) in dem dahinter angeordneten Stickoxid-Speicherkatalysator (37, LNT), aufgefangen werden.In the exhaust aftertreatment system (10) according to the present disclosure - in particular with regard to compliance with the limit values for the real driving emission test - the SCR-F catalytic converter (18, SCR-F), the nitrogen oxide storage catalytic converter (37, LNT ), and the passive nitrogen oxide adsorber (30, PNA), can be used particularly efficiently. In particular, this enables a particularly conservative injection strategy for the addition of urea or ammonia. If the amount of ammonia (NH3) currently contained in the SCR-F catalyst (18, SCR-F), should not be sufficient to ensure a high nitrogen oxides conversion rate, especially during transient operating conditions of the engine, when insufficient uniformity of the exhaust gas is present, nitrogen oxides (NOx)) that have passed through the SCR-F catalytic converter can be trapped in the nitrogen oxide storage catalytic converter (37, LNT) arranged downstream.
Durch die möglichst konservative Beigabe von Harnstoff oder Ammoniak werden die Betriebskosten des Abgasnachbehandlungssystems gesenkt und das Risiko für die Emission giftigen Ammoniaks wird weiter reduziert.By adding urea or ammonia as conservatively as possible, the operating costs of the exhaust aftertreatment system are lowered and the risk of toxic ammonia emissions is further reduced.
Da der Stickoxid-Speicherkatalysator (37) erst hinter dem SCR-F-Katalysator (18) angeordnet ist, und bei niedrigen Abgastemperaturen bereits eine Einspeicherung von Stickoxiden (NOx) in dem passiven Stickoxid-Absorber (30, PNA), noch vor dem SCR-F-Katalysator (18) erfolgen kann, wird gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Abgasnachbehandlungssystem (10') aus
Es ist insbesondere möglich, auf einen separaten Reduktionsmittel-Injektor (34) zu verzichten. Somit wird ein deutlich geringerer Kraftstoffverbrauch oder Reduktionsmittelverbrauch für den Betrieb des Abgasnachbehandlungssystems (10) gemäß der vorliegenden Offenbarung notwendig und ggf. können die Kosten eines Reduktionsmittel-Injektors (34) eingespart werden. Andererseits sind vorteilhafte Ausbildungen des Abgasnachbehandlungssystems (10) gemäß der vorliegenden Offenbarung auch mit einem Reduktionsmittel-Injektor möglich.In particular, it is possible to dispense with a separate reducing agent injector (34). Thus, a significantly lower fuel consumption or consumption of reducing agent for the operation of the exhaust gas aftertreatment system (10) according to the present disclosure is necessary and, if necessary, the costs of a reducing agent injector (34) can be saved. On the other hand, advantageous configurations of the exhaust gas aftertreatment system (10) according to the present disclosure are also possible with a reducing agent injector.
Nachfolgend werden von
In dem Beispiel von
Der in
Soweit im Rahmen der vorliegenden Offenbarung ein Verfahren oder Vorgang zur Regenerierung des Stickoxid-Speicherkatalysators (37, LNT) erläutert wird, gilt dies ebenso dafür, dass das Abgasnachbehandlungssystem (10) dazu ausgebildet ist, ein solches Verfahren auszuführen und umgekehrt. Die Ausbildung des Abgasnachbehandlungssystems kann beispielsweise darin bestehen, dass es mit dem vorgenannten Steuergerät verbunden ist oder ein solches aufweist.Insofar as a method or process for regenerating the nitrogen oxide storage catalytic converter (37, LNT) is explained within the scope of the present disclosure, this also applies to the fact that the exhaust gas aftertreatment system (10) is designed to carry out such a method and vice versa. The design of the exhaust aftertreatment system can consist, for example, in that it is connected to the aforementioned control device or has such a device.
In dem ersten Schritt (S10) von
Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird allerdings vorgeschlagen, dass bei erfolgtem oder bevorstehendem Erreichen der Adsorptionsgrenze des Stickoxid-Speicherkatalysators (37, LNT) eine aktive Regenerierung des Stickoxid-Speicherkatalysators (37, LNT) nur dann durch Beigabe eines Reduktionsmittels ausgeführt wird, wenn dies zur Einhaltung von vorgeschriebenen Grenzwerten erforderlich ist, insbesondere zur Einreichung der gemäß dem Real Driving Emission-Test vorgeschriebenen Grenzwerten für Stickstoffmonoxid (NO) und/oder Stickstoffdioxid (NO2). Wenn die im Abgas hinter dem Stickoxid-Speicherkatalysator (37, LNT) gemessenen oder berechneten Werte für den Stickoxid-Gehalt unterhalb und insbesondere deutlich unterhalb der erforderlichen Grenzwerte liegen, kann eine aktive Regenerierung des Stickoxid-Speicherkatalysators (37, LNT) zunächst hinausgezögert werden. In diesem Fall werden bewusst Stickoxide (NOx) durch den Stickoxid-Speicherkatalysator (37, LNT) durchgelassen. Alternativ oder zusätzlich kann ein Ablassen der in dem Stickoxid-Speicherkatalysator (37, LNT) enthaltenen Stickoxide (NOx) ohne deren Umwandlung erfolgen, beispielsweise indem die AbgasTemperatur angehoben wird, ohne ein fettes Abgas bereitzustellen bzw. ohne ein Reduktionsmittel dem Abgas beizugeben. Hierdurch wird der Verbrauch für die Beigabe von Reduktionsmittel bzw. Kraftstoff gesenkt, ohne eine unzulässige Erhöhung der Stickoxid-Emissionen in Kauf nehmen zu müssen. Gleichzeitig wird die Erzeugung anderer unerwünschter Emissionen, die aus der Beigabe eines Reduktionsmittels folgen könnte, vermindert.According to the present disclosure, however, it is proposed that when the adsorption limit of the nitrogen oxide storage catalytic converter (37, LNT) has been reached or is about to be reached, active regeneration of the nitrogen oxide storage catalytic converter (37, LNT) is only carried out by adding a reducing agent if this is necessary to comply of prescribed limit values is required, in particular to submit the limit values for nitrogen monoxide (NO) and/or nitrogen dioxide (NO2) prescribed in accordance with the Real Driving Emission Test. If the values for the nitrogen oxide content measured or calculated in the exhaust gas downstream of the nitrogen oxide storage catalytic converter (37, LNT) are below and in particular significantly below the required limit values, active regeneration of the nitrogen oxide storage catalytic converter (37, LNT) can initially be delayed. In this case, nitrogen oxides (NOx) are deliberately allowed to pass through the nitrogen oxide storage catalytic converter (37, LNT). Alternatively or additionally, the nitrogen oxides (NOx) contained in the nitrogen oxide storage catalytic converter (37, LNT) can be released without converting them, for example by raising the exhaust gas temperature without providing a rich exhaust gas or without adding a reducing agent to the exhaust gas. As a result, the consumption for the addition of reducing agent or fuel is reduced without having to accept an impermissible increase in nitrogen oxide emissions. At the same time, the production of other undesirable emissions that could result from the addition of a reductant is reduced.
In dem Ablaufdiagramm von
Wenn eine Regenerierung des Stickoxid-Speicherkatalysators (37, LNT), unter den vorgenannten Bedingungen erfolgen soll, so muss das beigegebene Reduktionsmittel bzw. der beigegebene Kraftstoff zunächst den SCR-F-Katalysator (18, SCR-F) durchlaufen, um an dem Stickstoff-Speicherkatalysator (37, LNT) anzukommen und dort für die Regeneration genutzt werden zu können. Allerdings kann die Zufuhr von Reduktionsmittel zu dem SCR-F-Katalysator (18) dessen Funktion beeinträchtigen (sogenannte Kohlenwasserstoffvergiftung - HC poisoning).If the nitrogen oxide storage catalytic converter (37, LNT) is to be regenerated under the aforementioned conditions, the added reducing agent or the added fuel must first pass through the SCR-F catalytic converter (18, SCR-F) in order to get to the nitrogen - Storage catalytic converter (37, LNT) to arrive and to be able to be used there for regeneration. However, the supply of reducing agent to the SCR-F catalytic converter (18) can impair its function (so-called hydrocarbon poisoning - HC poisoning).
Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird daher vorgeschlagen, den Gehalt an Reduktionsmittel, insbesondere an Kohlenwasserstoffen (HC), in dem SCR-F-Katalysator (18) zu überwachen. Die Überwachung kann auf beliebige Weise erfolgen, bevorzugt durch Simulation bzw. ein Rechenmodel. Wenn eine Überschreitung einer Zulässigkeitsgrenze für den Kohlenwasserstoff-Gehalt (HC) in dem SCR-F-Katalysator (18) erfasst wird (S21), wird eine aktive HC-Entfernung ausgeführt (S22), wenn oder bevor eine aktive Regenerierung des Stickoxid-Speicherkatalysators (37, LNT) erfolgt.According to the present disclosure, it is therefore proposed to monitor the content of reducing agent, in particular hydrocarbons (HC), in the SCR-F catalytic converter (18). The monitoring can be done in any way, preferably by simulation or a computer model. If exceeding an allowable limit for the hydrocarbon content (HC) in the SCR-F catalyst (18) is detected (S21), an active HC removal is performed (S22) when or before an active regeneration of the nitrogen oxide storage catalyst (37, LNT).
Gemäß dem Ablaufdiagramm (4) wird also in Schritt (S12) festgestellt, ob eine aktive Regenerierung des Stickoxid-Speicherkatalysators (37, LNT) erforderlich ist, weil der Stickoxid-Gehalt hinter dem Stickoxid-Speicherkatalysator nicht mehr in ausreichendem Maße geringer ist als der zulässige Grenzwert (S12: Nein). In diesem Fall wird gemäß Schritt (S21) überprüft, ob der gemessene oder berechnete HC-Gehalt im SCR-F-Katalysator eine bekannte Zulässigkeitsgrenze unterschreitet. Wenn dies der Fall ist, kann gemäß Schritt (S30) (und analog zum Vorgehen in
Wenn hingegen in Schritt (S21) festgestellt wird, dass der HC-Gehalt die Zulässigkeitsgrenze nicht mehr unterschreitet (S21: Nein), wird vor oder parallel zu Schritt (S30) eine aktive HC-Entfernung ausgeführt. Dies erfolgt beispielsweise durch Anhebung der AbgasTemperatur. Die aktive HC-Entfernung kann vorteilhafter Weise mit einem Vorgang zur Regenerierung des Filters in dem SCR-F-Katalysator (37, SCR-F), oder eines etwaig separat angeordneten Dieselpartikelfilters (DPF) kombiniert werden.If, on the other hand, it is determined in step (S21) that the HC content is no longer below the permissible limit (S21: No), active HC removal is carried out before or in parallel with step (S30). This is done, for example, by raising the exhaust gas temperature. The active HC removal can advantageously be combined with a process for regenerating the filter in the SCR-F catalytic converter (37, SCR-F), or a possibly separately arranged diesel particulate filter (DPF).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante kann das Abgasnachbehandlungssystem (10) in Modulbauweise gebildet sein. Für leichte und/oder niedrig motorisierte Fahrzeuge können etwaig nur ein passiver Stickoxid-Adsorber (30, PNA), und ein SCR-F-Katalysator (18, SCR-F), mit dem vorgelagerten Ozon-Injektor (35) und/oder einem vorgelagerten Reduktionsmittel-Injektor (33) oder Urea-Injektor vorgesehen sein.According to a preferred embodiment variant, the exhaust gas aftertreatment system (10) can be formed in a modular design. For light and/or low-powered vehicles, only a passive nitrogen oxide adsorber (30, PNA) and an SCR-F catalytic converter (18, SCR-F) with the upstream ozone injector (35) and/or a upstream reducing agent injector (33) or urea injector may be provided.
Für Fahrzeuge, bei denen ein derartiges Abgasnachbehandlungssystem nicht ausreichend ist, insbesondere bei dem die oben erwähnten NOx-Spitzen bei instationärem Betrieb und einer damit einhergehende Überschreitung der NOx-Grenzwerte zu erwarten ist, kann ein Zusatzmodul mit dem Stickoxid-Speicherkatalysator (37, LNT), zur Anordnung in der Abgaspassage (12) hinter dem SCR-F-Katalysator (18) SCR-F, vorgesehen sein. Das Zusatzmodul kann bevorzugt einen integrierten Ozon-Injektor (36) und/oder einen integrierten Reduktionsmittel-Injektor (34) sowie etwaig einen nachgeordneten NOx-Sensor (32) umfassen. Das Zusatzmodul kann auch zur Nachrüstung an bestehenden Fahrzeugen verwendet werden, beispielsweise um diese nachträglich zur Einhaltung von gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerten umzurüsten. Zum Umfang des Zusatzmoduls kann auch ein Steuergerät zur Durchführung der selektiven bzw. bedarfsgerechten Regenerierung des Stickoxid-Speicherkatalysators (37, LNT) gehören.An additional module with the nitrogen oxide storage catalytic converter (37, LNT) , to be arranged in the exhaust gas passage (12) behind the SCR-F catalytic converter (18) SCR-F. The additional module can preferably include an integrated ozone injector (36) and/or an integrated reducing agent injector (34) and possibly a downstream NOx sensor (32). The additional module can also be used to retrofit existing vehicles, for example to subsequently convert them to comply with statutory limit values. The scope of the additional module can also include a control unit for carrying out the selective or needs-based regeneration of the nitrogen oxide storage catalytic converter (37, LNT).
Durch die Modulbauweise können erhebliche Vereinfachungen für das Packaging und die Montage des Abgasnachbehandlungssystems (10) bei unterschiedlichen Motorisierungsvarianten einer Fahrzeugbaureihe erreicht werden. Ferner können durch die stärkere Verwendung von Gleichteilen in dem Modulsystem erhebliche Kosteneinsparungen erzielt werden.Due to the modular design, considerable simplifications can be achieved for the packaging and the assembly of the exhaust gas aftertreatment system (10) for different engine versions of a vehicle series. Furthermore, significant cost savings can be achieved through the greater use of identical parts in the modular system.
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