DE102017118214A1 - Abgasnachbehandlungssystem sowie Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Abgasnachbehandlungssystem sowie Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor (10), insbesondere einen Dieselmotor. Dabei sind in der Abgasanlage (22) des Verbrennungsmotors (10) stromabwärts eines Auslasses (12) des Verbrennungsmotors (10) ein Abgasturbolader (18), stromabwärts des Abgasturboladers (18) ein offener Partikelfilter (30) und stromabwärts des offenen Partikelfilters (30) ein Dieselpartikelfilter (34), welcher vorzugsweise mit einer Beschichtung (38) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden versehen ist, angeordnet. Der offene Partikelfilter (30) ist vorzugsweise als kontinuierlich regenerierender Partikelfilter ausgebildet und wird kontinuierlich im Betrieb des Verbrennungsmotors mit Rußpartikeln beladen und regeneriert. Der Dieselpartikelfilter (34) ist als geschlossener Filter ausgeführt und muss periodisch regeneriert werden. Durch das Vorschalten des offenen Partikelfilters (30) können die Intervalle zwischen zwei Regenerationsvorgängen des Dieselpartikelfilters (34) verlängert werden, wodurch der durch die Regeneration verursachte Mehrverbrauch gesenkt werden kann und in Verbindung mit der Regeneration des Dieselpartikelfilters (34) weniger Schadstoffe an die Umwelt emittiert werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
  • Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellen hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Dabei stellen die Forderungen nach einem weiter sinkenden Verbrauch und die weitere Verschärfung der Abgasnormen hinsichtlich der zulässigen Stickoxid-Emissionen eine Herausforderung für die Motorenentwickler dar. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Weise über einen Drei-Wege-Katalysator, sowie dem Drei-Wege-Katalysator vor- und nachgeschaltete weitere Katalysatoren. Bei Dieselmotoren finden aktuell Abgasnachbehandlungssysteme Verwendung, welche einen Oxidationskatalysator oder NOx-Speicherkatalysator, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren aufweisen. Als Reduktionsmittel wird dabei bevorzugt Ammoniak verwendet. Weil der Umgang mit reinem Ammoniak aufwendig ist, wird bei Fahrzeugen üblicherweise eine synthetische, wässrige Harnstofflösung verwendet, die in einer dem SCR-Katalysator vorgeschalteten Mischeinrichtung mit dem heißen Abgasstrom vermischt wird. Durch diese Vermischung wird die wässrige Harnstofflösung erhitzt, wobei die wässrige Harnstofflösung Ammoniak im Abgaskanal freisetzt. Eine handelsübliche, wässrige Harnstofflösung setzt sind im Allgemeinen aus 32,5 % Harnstoff und 67,5 % Wasser zusammen.
  • Beim Betrieb eines Dieselmotors besteht ein Zielkonflikt zwischen niedrigen NOx-Rohemissionen, niedrigen Partikelrohemissionen und langen Regenerationsintervallen für einen Dieselpartikelfilter. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Auslegungen des Brennverfahrens des Dieselmotors wird üblicherweise in Kenntnis der sehr hohen Filterfähigkeit des Dieselpartikelfilters und der weniger effizienten Möglichkeit, Stickoxide durch die Abgasnachbehandlung zu verringern, eine Applikation gewählt, bei der die NOx-Rohemissionen gering ausfallen und vergleichsweise viele Rußpartikel entstehen, um die Emissionsgrenzwerte der Abgasnormen EU6 sowie künftiger, noch schärferer Grenzwerte zu erreichen. Damit verbunden ist der Nachteil, dass der Dieselpartikelfilter entsprechend häufig regeneriert werden muss, wobei die Regeneration des Dieselpartikelfilters zu einer Erhöhung des Verbrauchs und der Schadstoffemissionen während der Regeneration führt. Wird das Intervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Regenerationsvorgängen des Dieselpartikelfilters länger, sinken Mehrverbrach und zusätzliche Schadstoffemissionen ab.
  • Eine Minderung der Partikelrohemissionen geht wie beschrieben mit einem Anstieg der Stickoxid-Emissionen einher, sodass dies zwangsläufig zu einer Überschreitung der Grenzwerte für die Stickoxid-Emissionen führen würde. Ein solches Vorgehen scheidet also im Bestreben, die Regenerationsintervalle des Dieselpartikelfilters zu verlängern, aus.
  • Aus der DE 20 2014 102 809 U1 ist ein Abgasmodul für einen Verbrennungsmotor bekannt, wobei in dem Abgasmodul ein Oxidationskatalysator und ein Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ausgebildet sind, welche in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Dabei ist das Gehäuse teilbar ausgeführt, wobei ein Abgasrohr vorgesehen ist, welcher den ersten Gehäuseteil mit dem zweiten Gehäuseteil verbindet.
  • Die EP 2 826 971 A1 offenbart ein Abgasnachbehandlungssystem sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors. Dabei sind in der Abgasanlage in Strömungsrichtung eines Abgases durch die Abgasanlage ein SCR-Katalysator, stromabwärts des SCR-Katalysators ein Partikelfilter und weiter stromabwärts ein zweiter SCR-Katalysator angeordnet.
  • Darüber hinaus sind aus der EP 2 907 564 A1 ein Abgasnachbehandlungssystem sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors bekannt, bei dem in Strömungsrichtung eines Abgases durch die Abgasanlage ein Oxidationskatalysator, stromabwärts des Oxidationskatalysators ein Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung und stromabwärts des beschichteten Partikelfilters ein weiterer SCR-Katalysator angeordnet sind.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, auch bei vergleichsweise hohen Partikelrohemissionen eine Verlängerung der Regenerationsintervalle des Dieselpartikelfilters zu ermöglichen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, bei dem in einer Abgasanlage des Verbrennungsmotors stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors eine Turbine eines Abgasturboladers und stromabwärts der Turbine ein Dieselpartikelfilter angeordnet sind, gelöst. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass stromabwärts der Turbine und stromaufwärts des Dieselpartikelfilters ein PM-Katalysator angeordnet ist. Dabei ist unter einem PM-Katalysator ein kontinuierlich katalytisch regenerierendes Partikelminderungssystem zu verstehen, welches in einem Niedertemperaturbereich von weniger als 300°C regenerierbar ist. Vorzugsweise ist der PM-Katalysator aus einer dünnen, gewellten Stahlfolie mit schaufelförmigen Sub-Strukturen und dazwischen abgeordneten Lagen aus Sintermetallvlies ausgebildet, wobei die Lagen aus Sintermetallvlies als Speichermedium für die Rußpartikel dienen. Dadurch kann die Beladung des Dieselpartikelfilters mit Rußpartikeln bei gleichen Partikelrohemissionen verlangsamt werden, sodass bei gleichen Partikelrohemissionen des Verbrennungsmotors längere Intervalle zwischen zwei Regenerationen des Dieselpartikelfilters möglich sind. Dadurch kann der Kraftstoffmehrverbrauch gesenkt werden und die bei der Regeneration des Dieselpartikelfilters auftretenden Sekundäremissionen können ebenfalls vermindert werden.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Abgasnachbehandlungssystems möglich.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass der Dieselpartikelfilter eine Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stichoxiden (SCR-Beschichtung) aufweist und in der Abgasanlage stromabwärts des PM-Katalysators und stromaufwärts des Dieselpartikelfilters ein Dosiermodul zur Eindosierung von Reduktionsmittel in die Abgasanlage vorgesehen ist. Durch einen Dieselpartikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden können neben den Partikelemissionen auch die Stickoxidemissionen verringert werden, wobei durch die SCR-Beschichtung des Dieselpartikelfilters bis zu 95 % der NOx-Rohemissionen des Verbrennungsmotors in unschädlichen molekularen Stickstoff N2 und Wasserdampf konvertiert werden können. Dabei kann durch eine SCR-Beschichtung auf dem Dieselpartikelfilter auf einen zusätzlichen SCR-Katalysator verzichtet werden, wodurch Gewicht, Bauraum und Kosten eingespart werden können.
  • Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass dem Dieselpartikelfilter ein SCR-Katalysator vorgeschaltet ist, welcher in der Abgasanlage stromabwärts des PM-Katalysators und eines Dosiermoduls zur Eindosierung von Reduktionsmittel in die Abgasanalage angeordnet ist. Dabei können die Funktionaltäten von selektiver, katalytischen Reduktion und dem Zurückhalten von Rußpartikeln auf zwei Bauteile verteilt werden, wodurch jedes diese Bauteile in seiner Funktion weiter optimiert werden kann.
  • Alternativ können das Dosiermodul und der SCR-Katalysator auch stromabwärts des Dieselpartikelfilters angeordnet werden. In einer weniger bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, das Dosiermodul stromaufwärts des Dieselpartikelfilters und den SCR-Katalysator stromabwärts des Dieselpartikelfilters anzuordnen. Zwar kann man in dieser Konfiguration den Dieselpartikelfilter als zusätzlichen Abgasmischer zur Verbesserung der Gleichverteilung des Reduktionsmittels nutzen, jedoch können Tropfen des Reduktionsmittels zu Beschädigungen und/oder Funktionsstörungen des Dieselpartikelfilters führen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der PM-Katalysator eine Edelmetallbeschichtung zur Oxidation von Kohlenmonoxid und/oder unverbrannten Kohlenwasserstoffen aufweist. Durch eine entsprechende Edelmetallbeschichtung können unverbrannte Abgaskomponenten auf dem PM-Katalysator exotherm umgesetzt werden, wodurch das Erreichen der Temperatur zur kontinuierlichen Regeneration der zurückgehaltenen Rußpartikel und der Durchführung eines CRT-Verfahrens erleichtert wird. Dabei weist die Edelmetallbeschichtung Platin, Rhodium und/oder Palladium auf, welche katalytisch wirksam für einen Oxidationsprozess der unverbrannten Abgaskomponenten wirken.
  • Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Edelmetallbeschichtung einen Edelmetallgehalt von 30 - 250 g/ft3, vorzugsweise von 40 - 200 g/ft3, besonders bevorzugt von 60 - 150 g/ft3 aufweist, wobei die Edelmetallbeschichtung einen Platinanteil von mindestens 40 %, vorzugsweise von mindestens 70 % hat. Durch eine entsprechende Edelmetallbeschichtung kann eine optimale Umsetzung der unverbrannten Abgaskomponenten sichergestellt werden.
  • Der PM-Katalysator weist ein Katalysatorvolumen von mindestens 0,5 dm3, vorzugsweise von mindestens 0,8 dm3, besonders bevorzugt von mindestens 1,2 dm3, idealerweise von mindestens 1,5 dm3 auf. Um eine hinreichende Reinigungswirkung und einen entsprechenden Abscheidungsgrad für Rußpartikel zu erreichen, ist ein entsprechendes Katalysatorvolumen des PM-Katalysators notwendig. Dabei ist ein Katalysatorvolumen von mindestens 1,5 dm3 besonders vorteilhaft, um eine hinreichende Aufnahme von Rußpartikeln zu ermöglichen.
  • In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem PM-Katalysator ein Oxidationskatalysator vorgeschaltet ist. Durch einen vorgeschalteten Oxidationskatalysator, welcher auch als Startkatalysator des Verbrennungsmotors bezeichnet wird, ist eine besonders effizient Umsetzung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenstoffmonoxid möglich. Durch die motornahe Anordnung erreicht der Oxidationskatalysator nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors möglichst schnell seine Betriebstemperatur, sodass eine wirksame Konvertierung der genannten Schadstoffe möglich ist. Dabei weist der Startkatalysator vorzugsweise ein Katalysatorvolumen von 0,2 - 0,7 dm3, besonders bevorzugt von 0,4 - 0,6 dm3 auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass dem PM-Katalysator ein elektrisch beheizbarer Katalysator vorgeschaltet oder nachgeschaltet ist. Durch einen elektrisch beheizbaren Katalysator kann das Aufheizen des PM-Katalysators begünstigt werden. Ist der elektrisch beheizbare Katalysator dem PM-Katalysator vorgeschaltet, kann der Rußabbrand auf dem PM-Katalysator bei kalter Abgasanlage, insbesondere bei Kurzstreckenverkehr, wirksam unterstützt werden. Ist der elektrisch beheizbare Katalysator dem PM-Katalysator nachgeschaltet und weist eine Hydrolysebeschichtung auf, kann auf effektive Art und Weise das Verdampfen der wässrigen Reduktionsmittellösung, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung, und die Freisetzung eines darin enthaltenen Reduktionsmittel unterstützt werden.
  • In einer vorteilhaften Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass der elektrisch beheizbare Katalysator eine Edelmetallbeschichtung zur oxidativen Umsetzung von unverbrannten Abgaskomponenten oder eine Hydrolysebeschichtung zur verbesserten Aufbereitung eines flüssigen Reduktionsmittels aufweist. Durch eine entsprechende Beschichtung kann die katalytische Wirkung des elektrisch beheizbaren Katalysators verbessert werden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Niederdruck-Abgasrückführung vorgesehen, wobei ein Abgasrückführungskanal der Niederdruck-Abgasrückführung stromabwärts des PM-Katalysators und stromaufwärts des Dieselpartikelfilters aus einem Abgaskanal der Abgasanlage abzweigt und stromaufwärts eines Verdichters des Abgasturboladers in eine Frischgasleitung eines Ansaugtraktes des Verbrennungsmotors einmündet. Durch eine Niederdruck-Abgasrückführung, welche stromabwärts des PM-Katalysators und stromaufwärts des Dieselpartikelfilters abzweigt, kann die Raumgeschwindigkeit im Dieselpartikelfilter reduziert werden. Dadurch können die Konvertierungsraten an der SCR-Beschichtung des Dieselpartikelfilters erhöht werden.
  • Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass eine Niederdruck-Abgasrückführung vorgesehen ist, wobei ein erster Abgasrückführungskanal der Niederdruck-Abgasrückführung stromabwärts des PM-Katalysators und stromaufwärts des Dieselpartikelfilters aus einem Abgaskanal des Abgasanlage abzweigt und ein zweiter Abgasrückführungskanal der Niederdruck-Abgasrückführung stromabwärts des Dieselpartikelfilters aus dem Abgaskanal der Abgasanlage abzweigt und stromaufwärts eines Verdichters eines Abgasturboladers in eine Frischgasleitung des Verbrennungsmotors mündet, wobei in dem zweiten Abgasrückführungskanal, vorzugsweise ausschließlich in dem zweiten Abgasrückführungskanal, ein Niederdruck-Abgasrückführungskühler angeordnet ist. Dadurch kann ein erster Teilstrom des Abgases über den ersten Abgasrückführungskanal ungekühlt zurückgeführt werden und ein zweiter Teilstrom des Abgases gekühlt zurückgeführt werden. Ferner ist es möglich, in Abhängigkeit der Betriebsparameter des Verbrennungsmotors wahlweise eine gekühlte oder ungekühlte Abgasrückführung über die Niederdruck-Abgasrückführungskanäle zu realisieren, wodurch ein Auskondensieren von Flüssigkeit in einem der Abgasrückführungskanäle vermieden wird und die Rohemissionen des Verbrennungsmotors schon zeitnah nach einem Kaltstart durch eine ungekühlte Niederdruck-Abgasrückführung verbessert werden können.
  • Gemäß einer weiteren Verbesserung des Abgasnachbehandlungssystem ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Einlass des PM-Katalysators mit einer Abgaslauflänge von weniger als 400 mm, bevorzugt von weniger als 300 mm, besonders bevorzugt von weniger als 200 mm, idealerweise von weniger als 150 mm ab einem Turbinenaustritt der Turbine des Abgasturboladers in der Abgasanlage angeordnet ist. Durch eine entsprechende motornahe Anordnung des PM-Katalysators und einen kurzen Abstand zum Auslass der Turbine kann sichergestellt werden, dass der PM-Katalysator zeitnah nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors seine Betriebstemperatur erreicht und insbesondere die zur Selbstreinigung des PM-Katalysators notwendige Temperatur von mehr als 200°C erreicht beziehungsweise überschritten wird.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen, wobei ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors zunächst durch einen Turbine eines Abgasturboladers geleitet wird. Anschließend wird der Abgasstrom stromabwärts der Turbine zunächst durch einen motornah angeordneten PM-Katalysator und anschließend durch einen stromabwärts des PM-Katalysators angeordneten Dieselpartikelfilter geleitet. Vorteilhaft an diesem Verfahren ist, dass sowohl an dem PM-Katalysator als auch an dem Dieselpartikelfilter Rußpartikel abgeschieden werden, sodass die Beladung des Dieselpartikelfilters bei gleichen Partikelrohemissionen des Verbrennungsmotors verlangsamt wird und längere Intervalle zwischen zwei Regenerationen des Dieselpartikelfilters möglich sind.
  • Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei in den unterschiedlichen Figuren mit gleichen Bezugszeichen dargestellt. Es zeigen:
    • 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor;
    • 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor, wobei die Positionen des elektrisch beheizbaren Katalysators und des PM-Katalysators gegenüber dem Ausführungsbeispiel in 1 vertauscht sind;
    • 3 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor;
    • 4 ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor;
    • 5 ein weiteres, besonders einfaches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor;
    • 6 ein weiteres, alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems, wobei die Niederdruck-Abgasrückführung stromabwärts des PM-Katalysators und stromaufwärts des Dieselpartikelfilters aus dem Abgaskanal abzweigt;
    • 7 ein weiteres, alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems, wobei die Positionen des elektrisch beheizbaren Katalysators und des PM-Katalysators gegenüber dem Ausführungsbeispiel in 6 vertauscht sind; und
    • 8 ein Diagramm zur Visualisierung des Temperaturverlaufs stromaufwärts und stromabwärts des PM-Katalysators sowie der Geschwindigkeit eines Kraftfahrzeuges mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem bei einem Testzyklus.
  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 20 eines Verbrennungsmotors 10. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Auslass 12, insbesondere einen Abgaskrümmer 14 auf, welcher mit einer Abgasanlage 22 des Verbrennungsmotors 10 verbunden ist. Der Verbrennungsmotor 10 ist als selbstzündender Verbrennungsmotor 10 nach dem Diesel-Prinzip ausgeführt. In der Abgasanlage 22 des Verbrennungsmotors 10 ist stromabwärts des Auslasses 12 eine Turbine 18 eines Abgasturboladers 16 angeordnet, mit welcher ein Verdichter 66 zur Luftversorgung des Verbrennungsmotors 10 angetrieben wird. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Einlass 68 auf, welche mit einem Ansaugtrakt 60 des Verbrennungsmotors 10 verbunden ist. Der Ansaugtrakt 60 umfasst eine Frischgasleitung 62, in welcher ein Luftfilter 64 und stromabwärts des Luftfilters 64 mindestens ein Verdichter 66 eines Abgasturboladers 18 angeordnet ist. Stromabwärts des Verdichters 66 und stromaufwärts eines Einlasses 68 des Verbrennungsmotors 10 ist ein Ladeluftkühler 58 angeordnet, um die durch den Verdichter 66 komprimierte Frischluft abzukühlen und somit die Füllung der Brennräume des Verbrennungsmotors 10 weiter zu verbessern. Der Verbrennungsmotor 10 weist ferner einen Auslass 12 auf, an welcher ein Abgaskrümmer 14 ausgebildet ist, welcher mit einem Abgasnachbehandlungssystem 20 des Verbrennungsmotors 10 verbunden ist.
  • Die Abgasanlage 22 weist stromabwärts der Turbine 18 einen motornahen Startkatalysator 24 auf, welcher vorzugsweise als Oxidationskatalysator ausgebildet ist. Stromabwärts des Startkatalysators 24 ist ein Stützkatalysator 28 angeordnet, welcher als PM-Katalysator 30 vorzugsweise mit einer Edelmetallbeschichtung 32 ausgebildet ist. Unmittelbar stromabwärts des PM-Katalysators 30 ist ein elektrisch beheizbarer Katalysator 26 angeordnet. Der elektrisch beheizbare Katalysator 26 weist ein elektrisches Heizelement, insbesondere eine elektrische Heizscheibe auf, welche vorzugsweise mit dem Stützkatalysator 28 zur Erhöhung der mechanischen Stabilität über eine Verstiftung verbunden ist. Dabei sind der elektrisch beheizbare Katalysator 26 und der PM-Katalysator 30 als Metallkatalysatoren ausgeführt, um eine hohe mechanische Stabilität und eine ebenfalls hohe Wärmeübertragung zwischen den Komponenten zu ermöglichen. Der PM-Katalysator 30 weist dünne, gewellte Stahlfolien mit schaufelförmigen Sub-Strukturen und dazwischen angeordneten Lagen aus Sintermetallvlies auf, die als Speichermedium für die Rußpartikel dienen. In PM-Katalysatoren 30 werden bei genügend hohen Temperaturen und NO2-Konzentrationen die dort angelagerten Partikel oxidiert und so der PM-Katalysator 30 nach dem sogenannten CRT-Verfahren („Continuous Regeneration Trap“) kontinuierlich im Betrieb des Verbrennungsmotors 10 regeneriert. Das zur Regeneration notwendige Stickstoffdioxid wird auf dem vorgeschalteten Oxidationskatalysator 24 gebildet oder an der Edelmetallbeschichtung 32 des PM-Katalysators 30 gebildet. Unter einer motornahen Anordnung ist in diesem Zusammenhang eine Anordnung mit einer Abgaslauflänge von maximal 60 cm, vorzugsweise von maximal 40 cm, ab dem Auslass 12 des Verbrennungsmotors 10 zu verstehen. Dabei ist der Einlass des PM-Katalysators 30 vorzugsweise weniger als 400 mm, insbesondere weniger als 300 mm, besonders bevorzugt weniger als 200 mm, idealerweise weniger als 150 mm stromabwärts eines Auslasses der Turbine 18 des Abgasturboladers 16 angeordnet.
  • Stromabwärts des PM-Katalysators 30 ist ein Dieselpartikelfilter 34 mit einer Beschichtung 38 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Beschichtung) angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 34 ist eine Verzweigung 46 der Abgasanlage 22 vorgesehen, an der sich ein Abgaskanal 44 in eine Niederdruck-Abgasrückführung 50 und einen Unterbodenkanal 70 verzweigt, welcher den Dieselpartikelfilter 34 mit einem Endrohr der Abgasanlage 22 verbindet. Die Niederdruck-Abgasrückführung 50 weist einen Abgasrückführungskanal 52 auf, welcher den Abgaskanal 44 an der Verzweigung 46 stromabwärts des Dieselpartikelfilters 34 mit einer Einmündung 54 in den Ansaugtrakt 60 stromabwärts des Luftfilters 64 und stromaufwärts des Verdichters 66 verbindet. Die Niederdruck-Abgasrückführung 50 weist einen Niederdruck-Abgasrückführungs-Kühler 56 auf, mit welchem das zurückgeführte Abgas vor der Zumischung zur Frischluft im Ansaugtrakt 60 abgekühlt wird.
  • Stromabwärts des PM-Katalysators 30 und stromaufwärts des Dieselpartikelfilters 34 mit der SCR-Beschichtung 38 ist ein Dosiermodul 40 zur Eindosierung eines Reduktionsmittels 42, insbesondere wässriger Harnstofflösung, vorgesehen. Dabei weist der Abgaskanal 44 der Abgasanlage 22 in dem Bereich zwischen dem PM-Katalysator 30 und dem Dieselpartikelfilter 34 ein Umlenkelement 48 auf. Durch die Umlenkung des Abgasstroms entsteht eine Verwirbelung, welche eine Vermischung des eindosierten Reduktionsmittels 42 mit dem Abgas vor einem Eintritt in den Dieselpartikelfilter 34 begünstigt und somit die Verdampfung des Reduktionsmittels 42 und die Gleichverteilung über den Querschnitt des Abgaskanals 44 verbessert. Anstelle eines Dieselpartikelfilters 34 mit einer SCR-Beschichtung 38 können auch, wie in 2 dargestellt, ein unbeschichteter Dieselpartikelfilter 34 und ein separater SCR-Katalysator 36 in der Abgasanlage 22 stromabwärts des Dosiermoduls 40 verbaut sein.
  • In 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 20 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt sind in diesem Ausführungsbeispiel die Positionen des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 und des PM-Katalysators 30 vertauscht. Der PM-Katalysator 30 ist somit stromabwärts des Startkatalysators 24 und stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 angeordnet und quasi durch diese beiden Katalysatoren 24, 26 eingebettet. Dabei kann der elektrisch beheizbare Katalysator 26 in Interaktion mit dem Dosiermodul 40 treten und als Hydrolysekatalysator ausgebildet sein, um eine Verdampfung des flüssigen Reduktionsmittels 42 zu begünstigen. Ferner ist stromabwärts des Dosierelements 40 und stromaufwärts des Dieselpartikelfilters 34 ein SCR-Katalysator 36 angeordnet. Dabei kann der Dieselpartikelfilter 34 frei von einer Beschichtung 38 ausgeführt werden. Alternativ kann auch wie in 1 ein Dieselpartikelfilter 34 mit einer SCR-Beschichtung anstelle eines Dieselpartikelfilters 34 und eines separaten SCR-Katalysators 36 verwendet werden.
  • In 3 ist ein weiteres, alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 20 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, entfällt bei diesem Ausführungsbeispiel der elektrisch beheizbare Katalysator 26, sodass stromabwärts eines Startkatalysators 24 der PM-Katalysator 30 angeordnet ist und stromabwärts des PM-Katalysators 30 kein zusätzlicher Oxidationskatalysator vorhanden ist.
  • In 4 ist ein weiteres, alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 20 für einen Verbrennungsmotor 10 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, entfällt bei diesem Ausführungsbeispiel der Startkatalysator 24 und wird durch einen elektrisch beheizbaren Katalysator 26, welcher stromaufwärts des PM-Katalysators 30 angeordnet ist, ersetzt. Stromabwärts des PM-Katalysators 30 ist kein weiterer elektrisch beheizbarer Katalysator 26 vorgesehen, sodass insgesamt ein Katalysator weniger benötigt wird.
  • In 5 ist ein besonders einfaches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 20 für einen Verbrennungsmotor 10 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, entfallen bei diesem Ausführungsbeispiel sowohl der Startkatalysator 24 als auch der elektrisch beheizbare Katalysator 26, sodass das Abgasnachbehandlungssystem 20 lediglich einen PM-Katalysator 30 mit einer Edelmetallbeschichtung 32 sowie einen stromabwärts des PM-Katalysators 30 angeordneten Dieselpartikelfilter 34 mit einer SCR-Beschichtung 38 aufweist. Eine solche Anordnung ist insbesondere bei Verbrennungsmotoren 10 möglich, welche niedrige HC- und CO-Rohemissionen aufweisen.
  • In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Abgasnachbehandlungssystems 20 für einen Verbrennungsmotor 10 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 aufgeführt zweigt die Niederdruck-Abgasrückführung 50 an einer Verzweigung 46 stromabwärts des PM-Katalysators 30 und stromaufwärts des Dieselpartikelfilters 34, insbesondere stromaufwärts des Dosiermoduls 40, von dem Abgaskanal 44 der Abgasanlage 22 ab. Dabei kann bei einem ausreichenden Filterungsgrad des PM-Katalysators 30 und robusten Bauteilen in der Niederdruck-Abgasrückführung 50 sowie im Ansaugtrakt 60 der Abgasmassenstrom bereits vor der NOx-Reduktionsstufe auf der Beschichtung 38 des Dieselpartikelfilters 34 erfolgen. Dies reduziert die dort auftretenden Raumgeschwindigkeiten und kann den Konvertierungsgrad für Stickoxide an der SCR-Beschichtung 38 des Dieselpartikelfilters 34 erhöhen. Dies bietet den Vorteil, dass eine schnellere Erwärmung des Abgases nach einem Kaltstart erfolgen kann. Nachteilig ist dabei jedoch, dass der Rest-Partikelgehalt in dem über die Niederdruck-Abgasrückführung 50 zurückgeführten Abgas höher ist und somit zu einem erhöhten Verschleiß in der Niederdruck-Abgasrückführung 50 und im Ansaugtrakt 60, insbesondere am Verdichter 66 führt. Alternativ kann auch wie in 7 dargestellt nur ein erster, ungekühlter Teilstrom der Niederdruck-Abgasrückführung 50 stromabwärts des PM-Katalysators 30 und stromaufwärts des Dieselpartikelfilters 34 entnommen werden und ein zweiter gekühlter Teilstrom über eine zweite Niederdruck-Abgasrückführung 50 stromabwärts des Dieselpartikelfilters 34 entnommen und der Frischgasleitung 62 stromaufwärts des Verdichters 66 zugeführt werden.
  • In 8 ist der Temperaturverlauf in der Abgasanlage 22 an einem ersten Messpunkt T1 stromaufwärts des PM-Katalysators 30 und einem zweiten Messpunkt T2 stromabwärts des PM-Katalysators 30 während eines Fahrzyklus eines Kraftfahrzeuges dargestellt. Das Geschwindigkeitsprofil des Fahrzyklus ist ebenfalls in 8 dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass eine zur kontinuierlichen Regeneration des im PM-Katalysator zurückgehaltenen Rußes notwendige Mindesttemperatur Tmin von etwa 200°C schon bei relativ geringen Fahrgeschwindigkeiten v und Motorleistungen erreicht wird. Dabei erreicht oder überschreitet ein Mittelklassefahrzeug mit einem Gewicht von ca. 1600 kg und einem Luftwiderstandsbeiwert von ca. 0,25 - 0,3 sowie einer Stirnfläche von ca. 2,5 - 3 m2 im NEFZ-Zyklus bei Geschwindigkeiten von mehr als 50 km/h die zur Regeneration des PM-Katalysators notwendige Abgastemperatur von mehr als 200°C, sodass auch im Praxisbetrieb eine sichere Funktion des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 20 erzielt werden kann.
  • Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass durch ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem 20 auch bei vergleichsweise hohen Partikelrohemissionen eine effiziente Abgasnachbehandlung und eine Verlängerung der Regenerationsintervalle des Dieselpartikelfilters 34 möglich sind.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Verbrennungsmotor
    12
    Auslass
    14
    Abgaskrümmer
    16
    Abgasturbolader
    18
    Turbine
    20
    Abgasnachbehandlungssystem
    22
    Abgasanlage
    24
    Oxidationskatalysator / Startkatalysator
    26
    elektrisch beheizbarer Katalysator
    28
    Stützkatalysator
    30
    PM-Katalysator
    32
    Edelmetallbeschichtung
    34
    Dieselpartikelfilter
    36
    SCR-Katalysator
    38
    SCR-Beschichtung
    40
    Dosiermodul
    42
    Reduktionsmittel
    44
    Abgaskanal
    46
    Verzweigung
    48
    Umlenkelement
    50
    Niederdruck-Abgasrückführung
    52
    Abgasrückführungskanal
    54
    Einmündung
    56
    Niederdruck-Abgasrückführungs-Kühler
    58
    Ladeluftkühler
    60
    Ansaugtrakt
    62
    Frischgasleitung
    64
    Luftfilter
    66
    Verdichter
    68
    Einlass
    70
    Unterbodenkanal
    T
    Temperatur
    T1
    Temperatur stromaufwärts des PM-Katalysators
    T2
    Temperatur stromabwärts des PM-Katalysators
    Tmin
    Mindesttemperatur zur kontinuierlichen Regeneration des PM-Katalysators
    t
    Zeit
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 202014102809 U1 [0005]
    • EP 2826971 A1 [0006]
    • EP 2907564 A1 [0007]

Claims (10)

  1. Abgasnachbehandlungssystem (20) für einen Verbrennungsmotor (10), bei dem in einer Abgasanlage (22) des Verbrennungsmotors (10) stromabwärts eines Auslasses (12) des Verbrennungsmotors (10) eine Turbine (18) eines Abgasturboladers (16) und stromabwärts der Turbine (18) ein Dieselpartikelfilter (34) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Turbine (18) und stromaufwärts des Dieselpartikelfilters (34) ein PM-Katalysator (30) angeordnet ist.
  2. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dieselpartikelfilter (34) eine Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden (38) aufweist und in der Abgasanlage (22) stromabwärts des PM-Katalysators (30) und stromaufwärts des Dieselpartikelfilters (34) ein Dosiermodul (40) zur Eindosierung von Reduktionsmittel (42) in die Abgasanlage (22) vorgesehen ist.
  3. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Dieselpartikelfilter (34) ein SCR-Katalysator (36) vorgeschaltet ist, welcher in der Abgasanlage (22) stromabwärts des PM-Katalysators (30) und eines Dosiermoduls (40) zur Eindosierung von Reduktionsmittel (42) in die Abgasanlage (22) angeordnet ist.
  4. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der PM-Katalysator (30) eine Edelmetallbeschichtung (32) zur Oxidation von Kohlenmonoxid und/oder unverbrannten Kohlenwasserstoffen aufweist.
  5. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Edelmetallbeschichtung (32) einen Edelmetallgehalt von 30 - 250 g/ft3 aufweist, wobei die Edelmetallbeschichtung (32) einen Platinanteil von mindestens 40 % hat.
  6. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem PM-Katalysator (30) ein Oxidationskatalysator (24) vorgeschaltet oder dem PM-Katalysator (30) ein elektrisch beheizbarer Katalysator (26) vorgeschaltet oder nachgeschaltet ist.
  7. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Niederdruck-Abgasrückführung (50) vorgesehen ist, wobei ein Abgasrückführungskanal (52) der Niederdruck-Abgasrückführung (50) stromabwärts des PM-Katalysators (30) und stromaufwärts des Dieselpartikelfilters (34) aus einem Abgaskanal (44) der Abgasanlage (22) abzweigt.
  8. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Niederdruck-Abgasrückführung (50) vorgesehen ist, wobei ein erster Abgasrückführungskanal (52) der Niederdruckabgasrückführung stromabwärts des PM-Katalysators (30) und stromaufwärts des Dieselpartikelfilters (34) aus einem Abgaskanal (44) der Abgasanlage (22) abzweigt und ein zweiter Abgasrückführungskanal (52) der Niederdruck-Abgasrückführung (50) stromabwärts des Dieselpartikelfilters (34) aus dem Abgaskanal (44) der Abgasanlage (22) abzweigt und stromaufwärts eines Verdichters (66) eines Abgasturboladers (16) in eine Frischgasleitung (62) mündet, wobei in dem zweiten Abgasrückführungskanal (52) ein Niederdruck-Abgasrückführungskühler (56) angeordnet ist.
  9. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der PM-Katalysator (30) mit einer Abgaslauflänge (L) von weniger als 400 mm ab einem Turbinenaustritt der Turbine (18) des Abgasturboladers (16) in der Abgasanlage (22) angeordnet ist.
  10. Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10), wobei ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10) durch eine Turbine (18) eines Abgasturboladers geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom stromabwärts der Turbine (18) zunächst durch einen motornah angeordneten PM-Katalysator (30) und anschließend durch einen stromabwärts des PM-Katalysators (30) angeordneten Dieselpartikelfilter (34) geleitet wird.
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