DE102017201398A1 - Abgasnachbehandlungssystem - Google Patents

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Brendan Carberry
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Frank Linzen
Dirk Römer
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Abstract

Es wird eine Anordnung einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem ersten und einem zweiten Stickoxidspeicherkatalysator bereitgestellt, wobei der erste Stickoxidspeicherkatalysator innerhalb eines Niederdruck-Abgasrückführungskreislaufs angeordnet ist. Es wird weiterhin ein Verfahren zum Betrieb der Anordnung bereitgestellt, wobei eine Regeneration zumindest des ersten Stickoxidspeicherkatalysator durch Rückleiten von Abgas gesteuert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgastrakt, einem Abgasrückführungssystem und mindestens einem ersten und einem zweiten Stickoxidspeicherkatalysator, wobei der erste Stickoxidspeicherkatalysator innerhalb des Abgasrückführungskreislaufs angeordnet ist, sowie ein Verfahren zum Betrieb der Anordnung.
  • Stickoxidspeicherkatalysatoren (auch NOx Speicherkat genannt, auf Englisch lean NOx trap, LNT) werden zur temporären Adsorption von Stickoxiden aus dem Abgas von Brennkraftmaschinen verwendet. Daneben erfüllen sie Aufgaben der oxidativen Nachbehandlung von Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffen (HC). Im Magerbetrieb einer Brennkraftmaschine entstehende Stickoxide können in einem LNT gespeichert werden; dazu oxidiert der LNT das im mageren Abgas enthaltene Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2) und speichert es anschließend in Form von Nitraten. Adsorptionsmittel, die in der Beschichtung des LNT verwendet werden, sind z. B. Barium- und/oder andere Oxide.
  • Ist die Speicherkapazität des LNT erschöpft, muss der LNT regeneriert werden. Bei einem Regenerationsereignis (Purge) werden fette, unterstöchiometrische Abgasbedingungen bereitgestellt, z. B. durch ein Betreiben der Brennkraftmaschine mit einem entsprechenden Kraftstoff-LuftGemisch; dabei werden die gespeicherten Stickoxide wieder desorbiert und an katalytisch aktiven Komponenten des LNT mit Hilfe der Bestandteile im fetten Abgas (CO, HC) zu Stickstoff reduziert. Neben einem nur zur Regeneration bewirkten Purge wird der LNT natürlich auch regeneriert, wenn das Abgas z. B. auf Grund einer Leistungsanforderung der Brennkraftmaschine unterstöchiometrisch wird.
  • Die gespeicherten Nitrate reagieren im LNT weiterhin mit molekularem Wasserstoff, der unter fetten Abgasbedingungen durch unvollständige Verbrennung des Kraftstoffs und auch durch Reaktionen im LNT entsteht, wodurch während einer Regeneration auch Ammoniak erzeugt wird. Dieses Ammoniak kann man sich zunutze machen, indem es stromabwärts in einem Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) gespeichert wird. Das gespeicherte Ammoniak wird in dem SCR verwendet, um unter mageren Abgasbedingungen Stickoxide zu Stickstoff zu reduzieren. Damit der SCR Katalysator eine hohe Speicherfähigkeit aufweisen kann, ist der vorteilhafterweise soweit stromabwärts installiert, dass sich dafür optimale Betriebstemperaturen ergeben. Der entsprechende Temperaturbereich ist eine Funktion der spezifischen SCR-Beschichtung und dem Fachmann bekannt.
  • Die Speicherkapazität eines LNT wird unter anderem durch die Temperatur des Abgases beschränkt. Moderne LNTs können Stickoxide in einem Temperaturbereich von ca. 250 - 550°C mit unterschiedlicher Effizienz speichern. Durch eine sequentielle Anordnung von zwei LNTs kann der für LNTs nutzbare Temperaturbereich erweitert werden. Der erste LNT kann räumlich nah der Brennkraftmaschine angeordnet werden, um nach einem Kaltstart schnell seine Betriebstemperatur zu erreichen und bei Betriebspunkten mit niedriger Last in dem nutzbaren Temperaturbereich zu bleiben. Wenn die Abgastemperatur, z. B. bei hoher Last, im ersten LNT zu hoch für eine effiziente Funktion werden sollte, ist der zweite LNT im Vorteil, der stromabwärts in dem nutzbaren Temperaturbereich bleibt, da sich das Abgas im Abgastrakt abkühlt. Es besteht die Aufgabe, die Abgasnachbehandlung zu optimieren.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Neben- und Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Anordnung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgastrakt, von dem mindestens eine Niederdruck-Abgasrückführungsleitung abzweigt, und in dem ein Abgasnachbehandlungssystem angeordnet ist, wobei das Abgasnachbehandlungssystem mindestens einen ersten LNT, mindestens einen zweiten LNT, der stromabwärts vom ersten LNT angeordnet ist, und mindestens einen Partikelfilter umfasst, der stromabwärts vom ersten LNT angeordnet ist, wobei die Abgasrückführungsleitung stromabwärts vom ersten LNT und stromaufwärts vom zweiten LNT abzweigt und ein Ventil zum Regeln der Masse des rückgeführten Abgases umfasst.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung ist vorteilhaft, weil in ihr die Idee der Verwendung von zwei LNT mit einem Niederdruck-Abgasrückführungssystem (ND-AGR) kombiniert wird. Der erste LNT ist dabei innerhalb des ND-AGR angeordnet, so dass er mit der vollen Abgasenergie (Temperatur und Massenstrom) der Brennkraftmaschine beaufschlagt wird, die auch den Energiestrom des rückgeleiteten Abgases umfasst. Während eines Purge erreichen die durch Nacheinspritzung eingebrachten Kohlenwasserstoffe direkt den ersten LNT. Es werden, im Gegensatz zu einer Hochdruck-AGR, keine Kohlenwasserstoffe ohne Abgasnachbehandlung in die Brennkraftmaschine zurückgeleitet, wodurch der Purge-Vorgang vorteilhaft beschleunigt wird. Weiterhin wird die für eine Reduktion der gespeicherten Stickoxide notwendige Kraftstoffmenge vorteilhaft reduziert. Mittels des ND-AGR kann die Regeneration mindestens des ersten LNT vorteilhaft gesteuert werden, indem durch die Menge des rückgeleiteten Abgases die Zusammensetzung des Abgases beeinflusst wird.
  • Durch das Anordnen des Partikelfilters innerhalb des ND-AGR-Kreislaufs wird das rückgeführte Abgas von Ruß gereinigt, was sich positiv auf die Lebensdauer des Kompressors auswirkt. Weiterhin wird eine Versottung (Ablagerungen durch Abgaspartikel) eines in der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung angeordneten Kühlers vermieden, da durch eine Versottung die Wärmeübertragung beeinträchtigt würde. Der Kühler behält dadurch einen hohen Wirkungsgrad.
  • Durch das Anordnen des zweiten LNT stromabwärts des Abzweigs der Abgasrückführungsleitung wird das Speichervermögen des zweiten LNT effektiver ausgenutzt, weil der Abgasvolumenstrom und die Raumgeschwindigkeit an dieser Position im Vergleich zum ersten LNT reduziert ist. Weiterhin wird auch die Menge des während des Purges notwendigen Reduktionsmittels reduziert.
  • Damit werden mit der erfindungsgemäßen Anordnung die Vorteile der motornahen Anordnung des ersten LNT und der motorfernen Anordnung des zweiten LNT stromabwärts des ND-AGR-Kreislaufs vollumfänglich genutzt. Weiterhin kann mittels des ND-AGR eine Reduktion der Stickoxidemission der Brennkraftmaschine gesteuert werden.
  • Zum Erfassen der Betriebsbedingungen und zum Steuern der Betriebsmodi umfasst die erfindungsgemäße Anordnung vorteilhafterweise eine Steuerungseinrichtung.
  • Vorzugsweise weist in der erfindungsgemäßen Anordnung der zweite Stickoxidspeicherkatalysator eine katalytische wirksame Beschichtung auf, die von der katalytisch wirksamen Beschichtung des ersten Stickoxidspeicherkatalysators verschieden ist. Besonders bevorzugt ist die katalytisch wirksame Beschichtung des zweiten Stickoxidspeicherkatalysators relativ zur katalytisch wirksamen Beschichtung des ersten Stickoxidspeicherkatalysators für die Stickoxidumsetzung bei hohen Temperaturen optimiert.
  • Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die erfindungsgemäße Anordnung zusätzlich ein Drosselventil aufweist, das stromabwärts des zweiten Stickoxidspeicherkatalysators angeordnet ist. Das Drosselventil kann vorteilhaft zum Steuern des Abgasstroms, besonders in Bezug auf das ND-AGR, genutzt werden.
  • Weiterhin weist die erfindungsgemäße Anordnung vorteilhafterweise eine Abgasrückführungsleitung eines Hochdruck-Abgasrückführungssystems (HD-AGR) auf, die stromaufwärts des ersten Stickoxidspeicherkatalysators vom Abgastrakt abzweigt. Unter bestimmten Betriebsbedingungen kann die Verwendung des HD-AGR alternativ oder zusätzlich zum ND-AGR sinnvoll sein.
  • Im Verlauf eines unterstöchiometrischen Betriebs oder bei einem Purge kann im LNT Ammoniak entstehen. Falls dieser nicht erwünscht ist, z. B. zur Verwendung in einem Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion, würde ein Rückführen in den Brennraum zu einer Oxidation des Ammoniaks und damit zu einer unerwünschten Produktion von zusätzlichen Stickoxiden führen. In diesem Fall kann der ND-AGR-Betrieb beendet und das HD-AGR verwendet werden. Idealerweise wird die Menge an zugeführtem Reduktionsmittel aber so eingestellt, dass es nicht zu einer unerwünschten Produktion von Ammoniak kommt.
  • Vorzugsweise ist in der erfindungsgemäßen Anordnung stromabwärts des zweiten Stickoxidspeicherkatalysators zusätzlich ein Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Katalysator) angeordnet. Durch den SCR-Katalysator kann Ammoniak, das unter bestimmten Umständen während eines Purges in den LNT erzeugt werden kann, zur Reduktion von Stickoxiden genutzt werden, wodurch die Stickoxidreduktion vorteilhaft positiv effizienter gesteuert wird.
  • Vorzugsweise weist in der erfindungsgemäßen Anordnung der Partikelfilter eine katalytisch wirksame Beschichtung auf. Besonders bevorzugt ist die katalytisch wirksame Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion ausgebildet.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Anordnung.
  • Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Anordnung, umfassend die Schritte:
    • - Betreiben der Brennkraftmaschine, so dass Abgas durch den Abgastrakt geleitet wird, mit einem mageren Luft-Kraftstoffgemisch,
    • - Speichern von Stickoxiden im ersten Stickoxidspeicherkatalysator,
    • - Einleiten einer Regeneration der Stickoxidspeicherkatalysatoren,
    • - Rückleiten von Abgas durch die Niederdruck-Abgasrückführungsleitung.
  • Die Vorteile des Verfahrens entsprechen den Vorteilen der erfindungsgemäßen Anordnung.
  • Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.
    • 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.
    • 3 ein Fließdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Eine erfindungsgemäße Anordnung 1 weist in einer Ausführungsform gemäß der Darstellung von 1 eine Brennkraftmaschine 2 auf. Die Brennkraftmaschine 2 kann eine selbstzündende oder fremdgezündete Brennkraftmaschine sein. Die Brennkraftmaschine 2 weist mindestens einen nicht gezeigten Zylinder auf, kann aber auch eine andere Anzahl an Zylindern aufweisen, z. B. zwei, drei, vier, oder mehr Zylinder.
  • Die Brennkraftmaschine 2 ist mit einem Ansaugtrakt 3 und mit einem Abgastrakt 4 verbunden. Im Abgastrakt 4 ist eine Turbine 5 eines Turboladers angeordnet. Die Turbine 5 ist über eine Welle mit einem Kompressor 6 verbunden, der im Ansaugtrakt 3 angeordnet ist. Stromabwärts von dem Kompressor ist eine Kühlereinrichtung 6a im Ansaugtrakt 4 angeordnet. Alternativ kann aber auch kein Turbolader und damit auch keine Turbine und kein Kompressor vorhanden sein.
  • Stromabwärts der Turbine 5 ist ein erster Stickoxidspeicherkatalysator (LNT) 7 im Abgastrakt 4 angeordnet. Stromabwärts des ersten LNT 7 ist ein Partikelfilter 8 angeordnet. Ist die Brennkraftmaschine 2 eine selbstzündende Brennkraftmaschine, ist der Partikelfilter 8 ein Dieselpartikelfilter. Idealerweise weist der Partikelfilter 8 zumindest teilweise eine katalytisch wirksame Beschichtung auf. Besonders bevorzugt ist die katalytische wirksame Beschichtung dabei zur selektiven katalytischen Reduktion ausgebildet. Dadurch kann Ammoniak, das während eines unterstöchiometrischen Modus im ersten LNT 7 produziert wird, im Partikelfilter 8 gespeichert werden, und für die Reduktion von Stickoxiden im Abgas verwendet werden.
  • Stromabwärts des Partikelfilters 8 zweigt eine Niederdruck-Abgasrückführungsleitung 9 eines Niederdruck-Abgasrückführungs-Systems (ND-AGR) vom Abgastrakt 4 ab. Diese Abgasrückführungsleitung 9 verbindet den Abgastrakt 4 fluid mit dem Ansaugtrakt 3. In der Abgasrückführungsleitung 9 ist ein erstes Abgasrückführventil 9a angeordnet, das ein Steuern des Abgasmassenstroms aus dem Abgastrakt 4 in den Ansaugtrakt 3 ermöglicht. Weiterhin ist ein erster Abgasrückführungskühler 9b in der Abgasrückführungsleitung 9 angeordnet. Der Abgasrückführungskühler 9b kann einen Bypass aufweisen.
  • Stromabwärts des Abzweigs der Abgasrückführungsleitung 9 ist ein zweiter LNT 10 angeordnet. Der zweite LNT 10 weist vorzugsweise eine andere katalytisch wirksame Beschichtung auf als der erste LNT 7. Die katalytisch wirksame Beschichtung des ersten LNT 7 ist die eines herkömmlichen LNT. Das bedeutet, dass die Beschichtung für die Absorption und Konvertierung von Stickoxiden bei Kaltstart und mittleren Temperaturen optimiert ist, wobei für die Beschichtung entsprechend dem Stand der Technik Edelmetalle (typischerweise Pt, Pd oder Rd), sauerstoffspeichernde Materialien wie Cer sowie Bariumverbindungen verwendet werden. Die katalytisch wirksame Beschichtung des zweiten LNT 10 wird vorzugsweise anders optimiert. Da der erste LNT 7 die Aufgaben des Kaltstartemissionskontrolle übernimmt, kann der zweite LNT 10 auf eine dem Fachmann bekannte Weise für die NOx-Umsetzung bei hohen Temperaturen optimiert werden. Daraus ergibt sich auch die Möglichkeit, die Menge an sauerstoffspeichernden Komponenten zu reduzieren, was bedeutet, dass bei einer Regeneration weniger gespeicherter Sauerstoff zunächst reduziert werden muss, was wiederum bedeutet, dass auch weniger Kraftstoff verwendet werden muss. Optional kann der zweite LNT 10 auch mit einer Zonenbeschichtung ausgelegt werden, bei dem nur am Ende eine Zone mit einer Sauerstoff-Speicherkapazität aufgebracht wird, um einen Durchbruch von Reduktionsmitteln zu verhindern.
  • Stromabwärts des zweiten LNT 10 ist ein Drosselventil 11 angeordnet. Das Drosselventil 11 dient zum Regulieren des Abgasstroms. In manchen Ausführungsformen der Anordnung 1 kann auch kein Drosselventil vorhanden sein.
  • Vom Abgastrakt 4 zweigt stromaufwärts der Turbine 5 eine Hochdruck-Abgasrückführungsleitung 12 eines Hochdruck-Abgasrückführungssystems ab, die den Abgastrakt 4 fluid mit dem Ansaugtrakt 3 verbindet. In der Abgasrückführungsleitung 12 sind ein zweites Abgasrückführventil 12a und ein zweiter Abgasrückführungskühler 12b angeordnet. Der Abgasrückführungskühler 12b kann einen Bypass aufweisen.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Anordnung 1 gemäß der Darstellung von 2 ist stromabwärts vom zweiten LNT 10 ein Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Katalysator) 13 angeordnet. Weiterhin umfasst die Anordnung 1 nicht dargestellte Sensoren, z. B. Stickoxid-, Ammoniak-, Lambda- und/oder Temperatursensoren, die an beliebigen Stellen in der Anordnung 1 angeordnet sein können. Die Sensoren sind mit einer nicht gezeigten Steuereinrichtung verbunden. Weiterhin kann die Anordnung 1 beispielsweise auch mindestens eine Einrichtung zum Einleiten von Reduktionsmittel, besonders eine wässrige Harnstofflösung, in den Abgastrakt 4 umfassen. Mittels der Steuereinrichtung werden die Betriebsmodi, die Mengen an eingeleiteter wässriger Harnstofflösung sowie die Einstellungen von Ventilen und Kühlereinrichtungen gesteuert. Die Steuereinrichtung ist weiterhin mit der Brennkraftmaschine 2 verbunden, um basierend auf einer Auswertung der gemessenen Werte Steuerbefehle betreffend einen fetten oder mageren Betrieb zu erteilen.
  • In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren gemäß der Darstellung von 3 wird in einem ersten Schritt S1 die Brennkraftmaschine 2 betrieben, so dass Abgas durch den Abgastrakt geleitet wird. Die Brennkraftmaschine 2 wird dabei mit einem mageren Luft-Kraftstoffgemisch betrieben, so dass mageres Abgas entsteht. In einem zweiten Schritt S2 werden Stickoxide im ersten 7 und zweiten LNT 10 gespeichert. Im zweiten LNT 10 werden dabei Stickoxide absorbiert, die vom ersten LNT 7 nicht absorbiert wurden oder durch Schlupf aus dem ersten LNT 7 entweichen. Ist die Speicherkapazität der LNT erschöpft, wird in einem dritten Schritt eine Regeneration der LNT eingeleitet, z. B. durch eine Nacheinspritzung in der Brennkraftmaschine 2. Dabei wird in einem vierten Schritt S4 Abgas durch die Niederdruck-Abgasrückführungsleitung 9 in den Ansaugtrakt 3 rückgeleitet. Sind die LNT regeneriert, wird, natürlich in Abhängigkeit von den Betriebsanforderungen, wieder in einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine 2 mit magerem Verbrennungsmodus gewechselt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Anordnung
    2
    Brennkraftmaschine
    3
    Ansaugtrakt
    4
    Abgastrakt
    5
    Turbine
    6
    Kompressor
    6a
    Kühlereinrichtung im Ansaugtrakt
    7
    erster LNT
    8
    Partikelfilter
    9
    Niederdruck-Abgasrückführungsleitung
    9a
    erstes Abgasrückführungsventil
    9b
    erster Abgasrückführungskühler
    10
    zweiter LNT
    11
    Drosselventil
    12
    Hochdruck-Abgasrückführungsleitung
    12a
    zweites Abgasrückführungsventil
    12b
    zweiter Abgasrückführungskühler
    13
    SCR-Katalysator

Claims (10)

  1. Anordnung (1) einer Brennkraftmaschine (2) mit einem Abgastrakt (4), von dem mindestens eine Niederdruck-Abgasrückführungsleitung (9) abzweigt, und in dem ein Abgasnachbehandlungssystem angeordnet ist, wobei das Abgasnachbehandlungssystem umfasst: - mindestens einen ersten Stickoxidspeicherkatalysator (7), - mindestens einen zweiten Stickoxidspeicherkatalysator (10), der stromabwärts vom ersten Stickoxidspeicherkatalysator (7) angeordnet ist, - mindestens einen Partikelfilter (8), der stromabwärts vom ersten Stickoxidspeicherkatalysator (7) angeordnet ist, wobei die Abgasrückführungsleitung (9) stromabwärts vom ersten Stickoxidspeicherkatalysator (7) und stromaufwärts vom zweiten Stickoxidspeicherkatalysator (10) abzweigt und mindestens ein Ventil (9a) zum Regeln der Masse des rückgeführten Abgases umfasst.
  2. Anordnung (1) nach Anspruch 1, bei der der zweite Stickoxidspeicherkatalysator (10) eine katalytisch wirksame Beschichtung aufweist, die von der katalytisch wirksamen Beschichtung des ersten Stickoxidspeicherkatalysators (7) verschieden ist.
  3. Anordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die katalytisch wirksame Beschichtung des zweiten Stickoxidspeicherkatalysators (10) relativ zur katalytische wirksamen Beschichtung des ersten Stickoxidspeicherkatalysators (7) für die Stickoxidumsetzung bei hohen Temperaturen optimiert ist.
  4. Anordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Anordnung (1) zusätzlich ein Drosselventil (11) aufweist, das stromabwärts des zweiten Stickoxidspeicherkatalysators (10) angeordnet ist.
  5. Anordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der stromaufwärts des ersten Stickoxidspeicherkatalysators (7) eine Abgasrückführungsleitung eines Hockdruck-Abgasrückführungssystems (12) vom Abgastrakt (4) abzweigt.
  6. Anordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der stromabwärts des zweiten Stickoxidspeicherkatalysators (10) zusätzlich ein Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (13) angeordnet ist.
  7. Anordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Partikelfilter (8) eine katalytisch wirksame Beschichtung aufweist.
  8. Anordnung (1) nach Anspruch 7, bei der die katalytisch wirksame Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion ausgebildet ist.
  9. Kraftfahrzeug mit einer Anordnung gemäß einem der vorherigen Ansprüche.
  10. Verfahren zum Betrieb einer Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1-8, umfassend die Schritte: - Betreiben der Brennkraftmaschine, so dass Abgas durch den Abgastrakt geleitet wird, mit einem mageren Luft-Kraftstoffgemisch, - Speichern von Stickoxiden im ersten Stickoxidspeicherkatalysator, - Einleiten einer Regeneration der Stickoxidspeicherkatalysatoren, - Rückleiten von Abgas durch die Niederdruck-Abgasrückführungsleitung.
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