DE102017201399A1

DE102017201399A1 - Abgasnachbehandlungssystem

Info

Publication number: DE102017201399A1
Application number: DE102017201399.0A
Authority: DE
Inventors: Brendan Carberry; Evgeny Smirnov; Frank Linzen; Dirk Römer; Felix Göbel; Christoph Boerensen
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-01-30
Filing date: 2017-01-30
Publication date: 2018-08-02

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 durch Bereitstellen von fetten Abgasbedingungen die Stickoxidspeicherkatalysatoren unter Betriebsbedingungen mit hoher Last zur Produktion von Ammoniak genutzt werden können.

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. Weiterhin kann die Speicherkapazität durch die Raumgeschwindigkeit des Abgases eingeschränkt sein. Wenn die Brennkraftmaschine unter einer hohen Last betrieben wird, z. B. bei einem Beschleunigungsereignis, werden hohe Abgastemperaturen und -massenströme erreicht, die die technologischen Grenzen des LNT überschreiten können, so dass die Stickoxidspeichereffizienz des LNT aufgrund der Gastemperatur und Raumgeschwindigkeit stark reduziert ist. Unter diesen Bedingungen können Stickoxide nicht im LNT gespeichert werden. Es ist möglich, dem Entweichen von Stickoxiden unter hohen Lasten entgegenzuwirken, indem abhängig von der Motorlast, abhängig vom Füllgrad von Katalysatoren und abhängig von der Abgastemperatur zwischen verschiedenen Verbrennungmodi hin- und hergeschaltet wird. Diese Modi beinhalten Zustände mit magerem Abgas und einen Zustand mit fettem, unterstöchiometrischem Abgas (216-0028 und 216-0029). Dabei wird besonders unter Bedingungen mit hoher Last und daraus resultierenden hohen Abgastemperaturen ein Fettbetrieb der Brennkraftmaschine ausgelöst. Der LNT wirkt unter diesen Bedingungen nicht mehr als Speicherkatalysator, sondern setzt die im Abgas befindlichen Stickoxide sofort mit Hilfe der ebenfalls im Abgas vorhandenen Reduktionsmittel (Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe) zu Stickstoff um. Auf diese Weise werden unter den Bedingungen einer hohen Last vorteilhaft Stickoxide auf dem aus der Brennkraftmaschine austretenden Abgas entfernt. Zudem kann der Fettanteil im Abgas so eingestellt werden, dass an den katalytisch wirksamen Bestandteilen des LNT unter diesen Bedingungen durch die Reaktion von Wasserstoff mit Stickoxiden Ammoniak entsteht, sobald zuvor gespeicherter Sauerstoff aus dem LNT entfernt worden ist. Dieses Ammoniak kann in einer vorteilhaften Ausführung mit Hilfe eines zweiten LNTs oder SCR-Katalysators stromabwärts zur weiteren Reduktion der Stickoxide genutzt werden.
Es besteht die Aufgabe, die Abgasnachbehandlung zu optimieren.
Diese Aufgabe wird mit einer Anordnung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und 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 Abgasrückführungsleitung eines Niederdruck-Abgasrückführungssystems (ND-AGR) abzweigt, und in dem ein Abgasnachbehandlungssystem angeordnet ist, wobei das Abgasnachbehandlungssystem umfasst:

- mindestens einen ersten Stickoxidspeicherkatalysator,
- mindestens eine zweite katalytische Einrichtung, die stromabwärts vom ersten Stickoxidspeicherkatalysator angeordnet ist,
- mindestens einen Partikelfilter, der stromabwärts vom ersten Stickoxidspeicherkatalysator angeordnet ist,

Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht vorteilhaft ein Steuern der Emission von Stickoxiden unter allen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine. Die bei einer hohen Last entstehende hohe Abgastemperatur kann durch den Temperatursensor, der vorteilhafterweise im Bereich des LNT angeordnet ist, erfasst und an die Steuereinrichtung übermittelt oder durch ein hinterlegtes Temperaturmodell ermittelt werden. Weiterhin kann durch eine dem Fachmann bekannte Art und Weise auch eine starke Drehmomentanforderung erfasst und an die Steuereinrichtung übermittelt werden. Zusätzlich ermöglicht das ND-AGR durch ein Rückführen von Abgas ein vorteilhaftes Steuern der Emission von Stickoxiden entsprechend der aktuellen Betriebsbedingungen.
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.
Besonders bevorzugt ist die Ausführung der zweiten katalytischen Einrichtung der erfindungsgemäßen Anordnung als zweiter Stickoxidspeicherkatalysator. 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 eines Purges notwendigen Reduktionsmittels reduziert.
Vorzugsweise ist in der Anordnung der erste Stickoxidspeicherkatalysator derart in räumlicher Nähe zur Brennkraftmaschine angeordnet, dass er beim Kaltstart schnell auf seine Betriebstemperatur erhitzt wird, und der zweite Stickoxidspeicherkatalysator derart räumlich entfernt von der Brennkraftmaschine angeordnet ist, dass auch unter hoher Last auftretende Abgastemperaturen ein effektives Speichern von Stickoxiden ermöglichen. 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.
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.
In einer alternativen, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist die zweite katalytische Einrichtung ein Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Katalysator).
Ebenfalls bevorzugt sind sowohl ein zweiter LNT und ein SCR-Katalysator stromabwärts des Abzweigs der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung im Abgastrakt 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.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die erfindungsgemäße Anordnung zusätzlich ein Drosselventil aufweist, das stromabwärts der zweiten katalytischen Einrichtung 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 HP-AGR verwendet werden. Idealerweise wird die Menge an zugeführtem Reduktionsmittel aber so eingestellt, dass es nicht zu einer unerwünschten Produktion von Ammoniak kommt.
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 für einen Betrieb einer erfindungsgemäßen Anordnung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgastrakt, von dem mindestens eine Abgasrückführungsleitung eines Niederdruck-Abgasrückführungssystems abzweigt, und in dem stromaufwärts des Abzweigs der Abgasrückführungsleitung mindestens ein erster Stickoxidspeicherkatalysator und ein Partikelfilter angeordnet sind, im räumlichen Bereich des ersten Stickoxidspeicherkatalysators mindestens ein Temperatursensor angeordnet ist und stromabwärts des Abzweigs der Abgasrückführungsleitung mindestens eine zweite katalytische Einrichtung angeordnet ist, mit den Schritten:

- Betreiben der Brennkraftmaschine mit niedriger oder mittlerer Last,
- Wechseln in einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine mit hoher Last,
- Starten eines fetten Verbrennungsmodus der Brennkraftmaschine,
- Rückleiten von Abgas durch die Abgasrückführungsleitung des Niederdruck-Abgasrückführungssystems,
- Beenden des fetten Betriebsmodus und Wechseln in einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine mit niedriger oder mittlerer Last.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorteilhaft, weil die Emission von Stickoxiden unter allen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine gesteuert werden kann. Die bei einer hohen Last entstehende hohe Abgastemperatur wird durch den Temperatursensor, der vorteilhafterweise im Bereich des LNT angeordnet ist, erfasst und an eine Steuereinrichtung übermittelt oder durch ein hinterlegtes Temperaturmodell ermittelt. Weiterhin wird durch eine dem Fachmann bekannte Art und Weise auch eine starke Drehmomentanforderung erfasst und an die Steuereinrichtung übermittelt. Die Steuereinrichtung kann daraufhin einen unterstöchiometrischen Betrieb der Brennkraftmaschine auslösen, soweit er nicht bereits stattfindet, und dabei ein leicht unterstöchiometrisches „fettes“ Abgasgemisch im Lambda < 1 erzeugen.
Weiterhin wird einer Versottung des Kühlers in der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung und des Ansaugtrakts dadurch entgegengewirkt, dass der erste Stickoxidspeicherkatalysator im Abgas enthaltene Kohlenwasserstoff annähernd vollständig umsetzt. Insbesondere stellt der unterstöchiometrische Betrieb der Brennkraftmaschine ein nahezu inertes Gas stromabwärts des ersten LNT zur Verfügung, dass sich dadurch hervorragend zur Rückführung in den Brennraum eignet. Dadurch kann im Vergleich zu einem HD-AGR eine größere Menge Abgas rückgeführt werden, wodurch der Sauerstoffgehalt des Abgases stromabwärts der Brennkraftmaschine reduziert wird, so dass weniger Kraftstoff zum Erreichen des unterstöchiometrischen Zustands eingesetzt werden muss. Dadurch verringert sich mittels eines ND-AGR verglichen mit einem HD-AGR der Kraftstoffverbrauchsnachteil zum Erreichen des unterstöchiometrischen Zustands. Weiterhin lassen sich durch Verwenden des ND-AGR die benötigten unterstöchiometrischen Bedingungen schnell und effektiv erreichen, da es im unterstöchiometrischen Betrieb oder bei einem Purge keine Rückführung von durch Nacheinspritzung zugefügten Kraftstoffs in die Brennkraftmaschine ohne zwischengeschalteten LNT gibt.
Weiterhin ermöglicht die Rückführung von Abgas ein vorteilhaftes Steuern der Emission von Stickoxiden entsprechend der aktuellen Betriebsbedingungen. Besonders bevorzugt ist deshalb eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, in der die Menge des rückgeleiteten Abgases reguliert wird, um die Regeneration des ersten Stickoxidspeicherkatalysators zu steuern. Besonders bevorzugt ist deshalb eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, in der die Menge des rückgeleiteten Abgases reguliert wird, um die Regeneration des ersten Stickoxidspeicherkatalysators zu steuern.
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 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.
4 ein Fließdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
5 ein Diagramm, das eine Stickoxidreduktion über den zeitlichen Verlauf eines unterstöchiometrischen Betriebes darstellt.

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 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 können 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 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.
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. Weiterhin kann im stromabwärts befindlichen Endbereich des Abgastraktes 4 ein Drosselventil angeordnet sein. Mittels der Steuereinrichtung werden die Betriebsmodi, Mengen an z. B. in die Brennkraftmaschine eingeleitetem Kraftstoff und in den Abgastrakt 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 gemäß der Darstellung von 2 weist die Anordnung 1 einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Katalysator) 13 auf, der stromabwärts des Abzweigs der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung 9 im Abgastrakt 4 angeordnet ist. In einer Ausführungsform gemäß der Darstellung von 3 weist die Anordnung 1 sowohl einen zweiten LNT 10 als auch einen SCR-Katalysator 13 auf.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren gemäß der Darstellung von 4 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. Die Last ist dabei niedrig bis mittel.
In einem zweiten Schritt S2 wird in einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine 2 mit hoher Last gewechselt. Dies geschieht z. B. im Rahmen einer Beschleunigungsanforderung, bei der das Gaspedal voll oder zu einem wesentlich größeren Betrag als bei gleichmäßiger Fahrweise durchgetreten ist. Dabei wird Abgas mit einer verglichen mit Normalbetrieb derart erhöhten Temperatur produziert, bei der der erste LNT 5 Stickoxide nicht mehr effektiv speichern kann. Beispielsweise können die Temperaturen bei einer hohen Last im Bereich des ersten LNT 7 schnell auf über 550°C steigen, die keine effiziente Speicherung erlauben.
In einem dritten Schritt S3 wird ein fetter Verbrennungsmodus der Brennkraftmaschine 2 gestartet. Dies geschieht vorzugsweise durch Nacheinspritzung von Kraftstoff in die Brennkraftmaschine, kann aber auch durch Maßnahmen im Luftpfad, z. B. durch Reduktion der zugeführten Luftmenge geschehen. In einem vierten Schritt S4 wird Abgas durch die Abgasrückführungsleitung 9 geleitet. Die Menge des rückgeleiteten Abgases wird durch ein Einstellen des Abgasrückführungsventils 9a reguliert. Der Schritt S4 kann auch zeitgleich zu den Schritten S1, S2 und S3 durchgeführt werden.
Idealerweise wird der Fettbetrieb für die zeitliche Dauer der hohen Last aufrechterhalten. In einem fünften Schritt S5 wird die Brennkraftmaschine 2 wieder mit einer niedrigen Last betrieben und ein magerer Verbrennungsmodus eingestellt. Der Fettbetrieb kann aber auch unterbrochen werden, wenn z. B. während des Fettbetriebs eine größere Menge an Ammoniak entsteht als gespeichert werden kann. In diesem Fall wird für einen bestimmten Zeitraum ein Magerbetrieb durchgeführt, in der das zuvor gespeicherte Ammoniak zur Reduktion der Stickoxide genutzt wird. Die beiden Betriebsarten können solange es hohe Temperaturen und Raumgeschwindigkeiten erfordern, im Wechsel genutzt werden.
In 5 ist die effektive Reduktion der Stickoxidemissionen über den ersten LNT 7 durch Anfettung des Abgases während eines Hochlastbetriebs dargestellt. Dabei ist die Stickoxidkonzentration gegen den zeitlichen Verlauf abgetragen. Der Zeitraum der hohen Last (Schritt S3) ist durch senkrechte Strichellinien gekennzeichnet. Die Stickoxidkonzentration im Abgas ist erhöht, wie durch die dicke durchgezogenen Linie als Maß der Konzentration stromaufwärts des ersten LNT 7 dargestellt. Zudem ist die eingestellte Anfettung anhand der Lambdakurve als dünne durchgezogene Linie dargestellt.
Es ist zu sehen, dass sich die Stickoxidkonzentration stromabwärts des ersten LNT 7 (gepunktete Linienführung) während des fetten Betriebs verringert, wobei die Stickoxide während des unter hoher Last geschalteten fetten Betriebes vor allem durch den ersten LNT 7 abgefangen werden. Dabei kann es zur Desorption zuvor gespeicherter Stickoxide vom ersten LNT kommen, wie durch den Peak der gepunkteten Linie zwischen den Zeiten 5275 und 5280 zu sehen. Diese können dann stromabwärts z. B. durch den zweiten LNT 10 gespeichert oder konvertiert werden. Ein Teil dieser Stickoxide wird bei Verwenden des ND-AGR aber wieder in den Brennraum zurückgeführt und kann erneut auch vom ersten LNT 7 behandelt werden, z. B. im Rahmen eines sofortigen Stickoxidumsetzung entsprechend Schritt S3. Durch das ND-AGR wird damit auch die Gesamtkapazität zur Stickoxid-Reduktion erhöht, was auch genutzt werden kann um die Stickoxid-Speicherkomponenten kleiner und damit bei gleicher Leistung kostengünstiger zu gestalten.
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

Anordnung (1) einer Brennkraftmaschine (2) mit einem Abgastrakt (4), von dem mindestens eine Abgasrückführungsleitung eines Niederdruck-Abgasrückführungssystems (9) abzweigt, und in dem ein Abgasnachbehandlungssystem angeordnet ist, wobei das Abgasnachbehandlungssystem umfasst: - mindestens einen ersten Stickoxidspeicherkatalysator (7), - mindestens eine zweite katalytische Einrichtung (10), die stromabwärts vom ersten Stickoxidspeicherkatalysator (7) angeordnet ist, - mindestens einen Partikelfilter (8), der stromabwärts vom ersten Stickoxidspeicherkatalysator (7) angeordnet ist, bei der die Abgasrückführungsleitung (9) stromabwärts vom ersten Stickoxidspeicherkatalysator (7) und stromaufwärts von der zweiten katalytischen Einrichtung (10) abzweigt und mindestens ein Ventil (9a) zum Regeln der Masse des rückgeführten Abgases umfasst, und die mindestens einen Temperatursensor im Bereich des ersten Stickoxidspeicherkatalysators (7) umfasst.
Anordnung (1) nach Anspruch 1, bei der die zweite katalytische Einrichtung (10) ein zweiter Stickoxidspeicherkatalysator (10) ist.
Anordnung (1) nach Anspruch 2, bei der der erste Stickoxidspeicherkatalysator (7) derart in räumlicher Nähe zur Brennkraftmaschine (2) angeordnet ist, dass bei unter hoher Last auftretenden Abgastemperaturen ein effektives Speichern von Stickoxiden verhindert wird, und der zweite Stickoxidspeicherkatalysator (10) derart räumlich entfernt von der Brennkraftmaschine (2) angeordnet ist, dass auch unter hoher Last auftretende Abgastemperaturen ein effektives Speichern von Stickoxiden ermöglichen.
Anordnung (1) nach Anspruch 2 oder 3, bei der der zweite Stickoxidspeicherkatalysator (10) eine katalytische wirksame Beschichtung auf, die von der katalytisch wirksamen Beschichtung des ersten Stickoxidspeicherkatalysators (7) verschieden ist.
Anordnung (1) nach Anspruch 4, bei der die katalytisch wirksame Beschichtung des zweiten Stickoxidspeicherkatalysators (10) relativ zur katalytisch wirksamen Beschichtung des ersten Stickoxidspeicherkatalysators (7) für die Stickoxidumsetzung bei hohen Temperaturen optimiert ist.
Anordnung (1) nach Anspruch 1, wobei die zweite katalytische Einrichtung ein Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (13) ist.
Anordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der sowohl ein zweiter Stickoxidspeicherkatalysators (10) als auch ein Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (13) stromabwärts des Abzweigs der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung (9) im Abgastrakt (4) angeordnet ist.
Anordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei stromabwärts der zweiten katalytischen Einrichtung ein Drosselventil (11) angeordnet ist.
Anordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei stromaufwärts des ersten Stickoxidspeicherkatalysators (7) eine Abgasrückführungsleitung eines Hockdruck-Abgasrückführungssystems (12) vom Abgastrakt abzweigt.
Anordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Partikelfilter (8) eine katalytisch wirksame Beschichtung aufweist.
Anordnung (1) nach Anspruch 10, wobei die Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug mit einer Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1-11.
Verfahren zum Betrieb einer Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1-11, umfassend die Schritte: - Betreiben der Brennkraftmaschine (2) mit niedriger oder mittlerer Last, - Wechseln in einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine (2) mit hoher Last, - Starten eines unterstöchiometrischen Verbrennungsmodus der Brennkraftmaschine (2), - Rückleiten von Abgas durch die Abgasrückführungsleitung des Niederdruck-Abgasrückführungssystems (9), - Beenden des unterstöchiometrischen Betriebsmodus und Wechseln in einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine (2) mit niedriger oder mittlerer Last.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Menge des rückgeleiteten Abgases reguliert wird, um die Regeneration des ersten Stickoxidspeicherkatalysators (7) zu steuern.