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Die Erfindung betrifft ein Abgassystem für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Abgassystems für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs.,
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Die
DE 602 00 714 T2 zeigt ein Abgassystem für einen Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
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Es wird in diesem Zusammenhang die Einspritzvorrichtung auch häufig SCR-Dosiermodul genannt.
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Die Angaben zu den Strömungsrichtungen sind in den folgenden Ausführungen stets auf eine Strömungsrichtung eines Abgases bezogen.
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Die Abgassysteme sind dabei so gestaltet, dass in einem Normalbetrieb ein von einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs erzeugter Abgasstrom über die Abgasleitung in den ersten Katalysator geleitet wird. Dort findet dann unter Ausnutzung der in das Abgas eingespritzten Harnstoff-Wasser-Lösung eine selektive katalytische Reduktions-Reaktion statt, sodass der Schadstoffgehalt des Abgases vermindert wird. Insbesondere können so Stickoxide aus dem Abgas entfernt werden.
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Um stets einen möglichst großen Anteil der Schadstoffe aus dem Abgas entfernen zu können, muss der Katalysator auf einer Betriebstemperatur gehalten werden, die in der Regel mindestens 200°C beträgt. Dabei sind bekannte Katalysatoren so ausgelegt, dass sie auch bei Volllast des Verbrennungsmotors, d. h. bei hohen Abgasmassenströmen und hohen Abgastemperaturen, wirken können.
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Im Betrieb eines, Kraftfahrzeugs mit einem solchen Abgassystem bedeutet das, dass zu Beginn einer Fahrt der Katalysator zunächst durch das Abgas aufgeheizt werden muss. Erst dann wird der Schadstoffgehalt des Abgases wirkungsvoll vermindert.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, Abgassysteme der eingangs genannten Art . weiter zu verbessern. Gleiches gilt für Verfahren der eingangs genannten Art zum Betrieb von Abgassystemen. Insbesondere soll dabei die Wirkung des Abgassystems bei niedrigen Abgastemperaturen und/oder eher niedrigen Abgasmassenströmen verbessert werden, sodass auch in diesen Betriebssituationen die Schadstoffe wirkungsvoll aus dem Abgas entfernt werden können.
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Die Aufgabe wird durch ein Abgassystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst, das eine in der Bypassleitung stromaufwärts des zweiten Katalysators angeordnete Heizvorrichtung aufweist.. Das Abgassystem umfasst also mindestens zwei Katalysatoren. Je nach Betriebssituation des Verbrennungsmotors, an dem das Abgassystem angeschlossen ist, können also der erste oder der erste und der zweite Katalysator genutzt werden. Dadurch ist das Abgassystem an eine breite Spanne an Betriebssituationen anpassbar. Es wird somit ein hohes Maß an Schadstoffreduktion erreicht. Mittels der Heizvorrichtung kann der zweite Katalysator derart beheizt werden, dass er eine bevorzugte Betriebstemperatur von mindestens 200°C erreicht. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn ein durch den Katalysator strömendes Abgas verhältnismäßig kalt ist, eine Abgastemperatur also kleiner als ca. 200°C ist. Dann ermöglicht die Heizvorrichtung eine besonders wirkungsvolle Schadstoffreduktion. Häufig wird diesbezüglich auch von einem hohen NOx-Umsatz gesprochen, was eine besonders starke Verminderung der Stickoxide im Abgas meint. Beispielsweise tritt ein verhältnismäßig kalter Abgasstrom im Stadtbetrieb eines Fahrzeugs auf, wenn ein Verbrennungsmotor nur mit einer sehr geringen Motorlast betrieben wird. Auch kann ein Katalysator während eines Schubbetriebs des Verbrennungsmotors auskühlen und so seine Temperatur unter die gewünschte Betriebstemperatur fallen. Bei einer darauf folgenden Beschleunigung des Fahrzeugs, also einem einsetzenden Zugbetrieb, wäre der Katalysator ohne eine Heizvorrichtung also zunächst kalt. Gleiches gilt beim Starten eines Kraftfahrzeugs aus einer Parksituation. Die Heizvorrichtung kann dabei den zweiten Katalysator direkt aufheizen oder einen in den zweiten Katalysator einströmenden Abgasstrom erwärmen, sodass dieser mittelbar den zweiten Katalysator aufheizt. Insgesamt wird so eine besonders wirkungsvolle Abgasreinigung gewährleistet, die insbesondere auch bei kalten Abgasströmen sichergestellt ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist bzw. sind der erste Katalysator und/oder der zweite Katalysator ein SCR-Katalysator bzw. SCR-Katalysatoren, wobei das Katalysatorvolumen des ersten Katalysators größer ist, vorzugsweise um mindestens den Faktor 2, als das Katalysatorvolumen des zweiten Katalysators. SCR-Katalysatoren sind dabei Katalysatoren, die nach dem Prinzip der selektiven katalytischen Reaktion arbeiten (englisch: Selective Catalytic Reduction). Solche Katalysatoren sind besonders gut dafür geeignet, Stickoxide aus einem Abgas zu entfernen. Dabei werden diese mit Hilfe der eingespritzten Harnstoff-Wasser-Lösung zu Wasser und Stickstoff reduziert. Es findet also eine effektive und effiziente Abgasreinigung statt.
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Das Katalysatorvolumen des ersten Katalysators beträgt dabei 3 Liter bis 7 Liter, also z. B. 5 Liter. Das Katalysatorvolumen des zweiten Katalysators beträgt bevorzugt 1,0 Liter bis 3,0 Liter, also z. B. 1,5 Liter. Diese Gestaltung des Abgassystems gewährleistet ein hohes Maß an Schadstoffreduktion über alle Betriebssituationen des Verbrennungsmotors. Zudem ist ein derart gestaltetes Abgassystem kompakt im Aufbau, sodass es in den vorgegebenen Bauräumen von Kraftfahrzeugen Platz finden kann.
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Vorzugsweise geht die Bypassleitung im Bereich oder stromabwärts der Einspritzvorrichtung von der Abgasleitung aus. Somit kann mit Wasser-Harnstoff-Lösung versetztes Abgas sowohl in den ersten Katalysator als auch in den zweiten Katalysator strömen. Mit anderen Worten nutzen die beiden Katalysatoren also eine gemeinsame Einspritzvorrichtung. Dadurch ist der Aufbau des Abgassystems verhältnismäßig kompakt. Gleichzeitig bedeutet der Verzicht auf eine zweite Einspritzvorrichtung eine Kosten- und Bauraumersparnis.
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In einer alternativen Ausführungsform können zwei Einspritzvorrichtungen zum Einspritzen von Harnstoff-Wasser-Lösung vorhanden sein., Dann ist eine Einspritzvorrichtung dem ersten Katalysator und die andere dem zweiten Katalysator zugeordnet. In dieser Konfiguration kann die Bypassleitung, an einer beliebigen Stelle von der Abgasleitung abzweigen.
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Dabei kann das Abgassystem eine Ventileinrichtung umfassen, mittels der die Abgasleitung oder die Bypassleitung wahlweise im Wesentlichen abgasdicht verschlossen werden kann, vorzugsweise wobei die Ventileinrichtung auch Zwischenstellungen einnehmen kann, in denen weder die Abgasleitung zum ersten Katalysator noch die Bypassleitung abgasdicht verschlossen sind. Die Ventileinrichtung sitzt vorteilhafterweise in dem Bereich, in dem die Bypassleitung von der Abgasleitung abzweigt. Die unterschiedlichen Strömungspfade des Abgassystems können somit auf einfache Weise geöffnet oder geschlossen werden. Ferner wird so eine schnelle Reaktion, d. h. ein schnelles Umschalten, der Ventileinrichtung ermöglicht. Dadurch kann das Abgassystem schnell auf geänderte Abgasströme reagieren und über alle Betriebssituationen eine wirkungsvolle Schadstoffreduktion sicherstellen.
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Bevorzugt ist die Ventileinrichtung ein Klappenventil. Solche Klappenventile werden im Bereich der Abgassysteme auch häufig als Abgasklappenveritile oder Abgasklappen bezeichnet und sind für einen Betrieb in Abgassträngen ausgelegt. Im vorliegenden Fall ist das Klappenventil beispielsweise als 3/2-Wegeventil ausgebildet. Solche Ventile funktionieren unter den gegebenen Randbedingungen zuverlässig. Darüber hinaus sind sie einfach in der Bedienung und kostengünstig herstellbar. Für den Fall, dass das Ventil eine oben erwähnte Zwischenstellung einnehmen kann, ist es ein 3/3-Wegeventil.
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Die Ventileinrichtung kann in einer Gestaltungsalternative zwei Stauklappen umfassen, wobei eine erste Stauklappe in der Abgasleitung und eine zweite Stauklappe in der Bypassleitung angeordnet sind. Beide Stauklappen sind dann stromabwärts derjenigen Stelle angeordnet, an der die Bypassleitung von der Abgasleitung abzweigt. Durch ein koordiniertes Verstellen der beiden Stauklappen kann das oben beschriebene Verhalten der Ventileinrichtung umgesetzt werden. Diese Konfiguration hat den Vorteil, dass Stauklappen verhältnismäßig einfach, kostengünstig und robust sind.
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In einer Variante ist die Mündung der Bypassleitung zurück in die Abgasleitung stromaufwärts des ersten Katalysators und stromabwärts der Einspritzvorrichtung angeordnet. Dabei werden unter Abgasleitung auch Übergangsstücke zum ersten Katalysator verstanden, die beispielsweise trichterförmig sein können. Ein Abgasmassenstrom, der durch die Bypassleitung und damit durch den zweiten Katalysator geleitet wird, muss also auf seinem Weg in die Umgebung auch durch den ersten Katalysator strömen. Es ergibt sich so ein kompakter Aufbau des Abgassystems. Auch wird so eine besonders gründliche Abgasreinigung erreicht.
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Die in der Bypassleitung, stromaufwärts des zweiten Katalysators angeordnete Heizvorrichtung kann regelbar sein.
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Vorteilhafterweise ist der zweite Katalysator ein Speicher für die Harnstoff-Wasser-Lösung und/oder für Ammoniak. Es kann somit die Menge der über den ersten und/oder den zweiten Katalysator aus dem Abgas entfernbaren Schadstoffe, insbesondere Stickoxide, kurzfristig erhöht werden. Es wird dann die gespeicherte Harnstoff-Wasser-Lösung zusätzlich zur ins Abgas eingespritzten Harnstoff-Wasser-Lösung für die Reduktions-Reaktion genutzt. Die Einlagerung von Harnstoff-Wasserlösung in den zweiten Katalysator findet vorzugsweise während einer Phase geringer Motorlast statt. Bei einer nachfolgenden Phase sehr hoher Motorlast, z. B. Volllast, in der ein Abgasstrom also einen sehr hohen Schädstoffanteil, insbesondere Stickstoffanteil, hat, wird dann die gespeicherte Harnstbff-Wasser-Lösung genutzt. Insgesamt wird somit der Schadstoffausstoß des Verbrennungsmotors wirkungsvoll reduziert. Dies bedeutet zudem, dass die Einspritzvorrichtung für Harnstoff-Wasser-Lösung nicht auf den Volllast-Betrieb ausgelegt sein muss, sondern kleiner und damit leichter und kostengünstiger gestaltet sein kann. Beispielsweise könnten für einen Volllastbetrieb 4 kg/h Harnstoff-Wasser-Lösung nötig sein. Es könnte jedoch nur eine Einspritzvorrichtung verbaut sein, die auf 3,2 kg/h Harnstoff-Wasser-Lösung ausgelegt ist. Im Ergebnis kann unter Ausnutzung der Speicherfähigkeit trotzdem eine Schadstoffreduktion wie mit einer auf 4 kg/h ausgelegten Einspritzvorrichtung erreicht werden. Dies kann selbstverständlich nur für einige, direkt aufeinander folgende Volllastbeschleunigungsvorgänge gelten, z. B. drei Stück. Danach wäre wieder ein Auffüllen des Speichers notwendig.
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Für eine gute Funktion eines SCR-Katalysators, also für einen hohen NOx-Umsatz, muss stets für einen ausreichenden Füllstand an Harnstoff-Wasser-Lösung oder Ammoniak im Katalysator gesorgt sein. Die Speicherfähigkeit ist dabei temperaturabhängig und sinkt mit steigender Temperatur. Bei ca. 400°C können kein Ammoniak und keine Harnstoff-Wasser-Lösung mehr gespeichert werden. Im Bereich von ca. 220°C - ca. 260°C liegen sowohl eine gute Speicherfähigkeit, als auch eine ausreichende Reaktionstemperatur vor. Dieser Temperaturbereich ist daher für den Betrieb besonders bevorzugt.
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Stromaufwärts der Einspritzvorrichtung kann bzw. können ein dritter Katalysator und/oder ein Partikelfilter in der Abgasleitung angeordnet sein, wobei der dritte Katalysator vorzugsweise ein Stickoxid-Speicherkatalysator oder ein Oxidationskatalysator ist. Ein Stickoxid-Speicherkatalysator wird häufig auch als NOx-Speicherkatalysator bezeichnet. Der Partikelfilter kann als sogenannter Coated Soot Filter (CSF) oder als sogenannter Selective Catalytic Reduction Filter (SCRF) ausgebildet sein: Beim letztgenannten Filter ist eine SCR-Beschichtung vorgesehen. Ferner ist für einen solchen Filter ein Reduktionsmittel, beispielsweise Ammoniak oder Wasser-Harnstoff-Lösung, notwendig. Dieses muss über eine Dosiereinheit zugeführt werden. Durch die Kombination des ersten und des zweiten Katalysators mit diesen Abgasreinigungselementen wird das Abgas besonders gut von Schadstoffen befreit. Der Partikelfilter kann dabei ein Dieselpartikelfilter oder Benzinpartikelfilter sein. NOx-Speicherkatalysatoren müssen von Zeit zu Zeit regeneriert werden. Dabei wird seitens der Motorelektronik kurzzeitig ein fettes, reduzierendes Abgasgemisch eingestellt, mittels dem die im NOx-Speicherkatalysator gespeicherten Stickoxide zu Stickstoff reduziert werden. Dies kann nur oberhalb einer Mindestlast des Verbrennungsmotors ablaufen. Soll eine Regenerierung des NOx-Speicherkatalysators beispielsweise im Leerlauf oder naher der Leerlauflast stattfinden, so kann diese Mindestlast durch einen Generator oder eine Lichtmaschine aufgebracht werden, die das oben erwähnte Heizelement mit Strom versorgt. Es ergibt sich so die Möglichkeit, die Regenerierung bei oder nahe der Leerlauflast und mit einer besonders günstigen Gesamtenergiebilanz auszuführen.
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Dabei ist der Partikelfilter vorzugsweise zwischen dem dritten Katalysator und der Einspritzvorrichtung angeordnet. Entlang einer Abgasströmungsrichtung ergibt sich also folgende Reihenfolge der Abgasreinigungselemente: dritter Katalysator, Partikelfilter, Einspritzvorrichtung. Diese Reihenfolge hat sich im Stand der Technik bewährt und gewährleistet ein gutes Ergebnis bei der Abgasreinigung.
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Das Abgassystem kann auch einen Ammoniak-Schlupf-Katalysator umfassen, der stromabwärts des ersten Katalysators angeordnet ist. Dieser wandelt im Falle einer Ammoniak-Überdosierung dieses wieder vorwiegend in Stickstoff und Wasser um. Es werden also unangenehme Gerüche und ungewünschte Emissionen vermieden.
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Gemäß einer Variante umfasst das Abgassystem eine Steuerungseinheit, die dazu ausgebildet ist, wahlweise einen Strömungspfad für einen Abgasstrom über die Abgasleitung durch den ersten Katalysator, über die Bypassleitung durch den ersten Katalysator und den zweiten Katalysator öder über die Abgasleitung und die Bypassleitung durch beide Katalysatoren zu öffnen, einen Abgastemperatursensor und/oder einen Abgasvolumenstromsensor und/oder eine Einrichtung zur Bestimmung einer Stickoxidkonzentration, wobei die Steuerungseinheit den Strömungspfad in Abhängigkeit der Sensorwerte des Abgastemperatursensors und/oder des Abgasvolumenstromsensors und/oder einer Stickoxidkonzentration (NOx-Konzentration) wählt. Die Einrichtung zur Bestimmung einer Stickoxidkonzentration kann dabei ein Stickoxidsensor, auch NOx-Sonde genannt, oder ein Simulationsmodell sein. Für den Fall, dass ein Simulationsmodell genutzt wird, ist kein Stickoxidsensor vorhanden. Es wird dann ausgehend von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors, z. B. Motorlast und Drehzahl, und/oder in Abhängigkeit von Parametern des Abgases, die beispielsweise durch den Abgastemperatursensor und/oder den Abgasvolumenstromsensor bereitgestellt werden, eine Stickoxidkonzentration errechnet. Die Abgastemperatur, der Abgasvolumenstrom und die Stickoxidkonzentration stellen sich in Abhängigkeit einer Motorlast des Verbrennungsmotors ein. Somit kann das Abgassystem gut an unterschiedliche Motorlasten angepasst werden. Es ergibt sich ein besonders schadstoffarmer Abgasausstoß.
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Zusätzlich wird die Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Abgassystems, mit dem folgenden Schritt gelöst: Wahlweises Leiten eines Abgasstromes ausschließlich über die Abgasleitung durch den ersten Katalysator, über die Bypassleitung durch den ersten Katalysator und den zweiten Katalysator oder teilweise über die Abgasleitung und teilweise über die Bypassleitung durch beide Katalysatoren, wobei die Wahl des Strömungspfades für den Abgasstrom in Abhängigkeit einer Abgastemperatur und/oder eines Abgasvolumenstroms und/oder einer Stickoxidkonzentration (NOx-Konzentration) des Abgasstroms erfolgt.
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Gemäß einer Ausführungsform wird der Abgasstrom ausschließlich über die Abgasleitung durch den ersten Katalysator geleitet, wenn die Abgastemperatur über einer Grenz-Abgastemperatur und der Abgasvolumenstrom zwischen einem unteren und einem oberen Grenz-Abgasvolumenstrom liegt wobei die Grenz-Abgastemperatur 200°C bis 230°C beträgt. Dieser Betriebszustand kann als Normalbetrieb bezeichnet werden. Diesem liegt eine mittlere Motorlast zugrunde. Dabei ist das Abgas ausreichend warm, um den ersten Katalysator auf seiner Betriebstemperatur zu halten, sodass dieser wirkungsvoll die Schadstoffe aus dem Abgas entfernen kann.
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In einer Alternative wird der Abgasstrom ausschließlich über die Bypassleitung durch den ersten Katalysator und den zweiten Katalysator geleitet, wenn die Abgastemperatur, unter einer Grenz-Abgastemperatur und der Abgasvolumenstrom unter einem oberen Grenz-Abgasvolumenstrom liegt, wobei vorzugsweise der Abgasstrom in der Bypassleitung beheizt wird. Dieser Betriebszustand tritt bei geringen Motorlasten oder nach dem Start des Kraftfahrzeugs aus einer Parksituation auf. Der Abgasvolumenstrom ist dabei zu kalt und zu klein, um den ersten Katalysator auf seine Betriebstemperatur zu bringen. Der zweite Katalysator, der ein geringeres Katalysatorvolumen als der erste Katalysator aufweist, kann unter Umständen aufgrund seines geringeren Bauraumbedarfs näher am Verbrennungsmotor positioniert werden und damit schneller erwärmt werden. Für den Fall, dass die Temperatur des Abgasstroms nicht ausreicht, den zweiten Katalysator auf Betriebstemperatur zu bringen, kann der Abgasstrom beheizt werden. Somit werden auch in diesem Betriebszustand die Schadstoffe wirkungsvoll aus dem Abgas entfernt.
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Der Abgasstrom kann auch teilweise über die Bypassleitung durch den zweiten Katalysator und teilweise über die Abgasleitung durch den ersten Katalysator geleitet werden, wenn die Abgastemperatur unter einer Grenz-Abgastemperatur und der Abgasvolumenstrom unter einem unteren Grenz-Abgasvolumenstrom liegt, wobei vorzugsweise der Teilabgasvolumenstrom in der Bypassleitung beheizt wird und der Teilabgasvolumenstrom durch die Bypassleitung vorzugsweise weniger als 10% des Teilabgasvolumenstroms durch die Abgasleitung beträgt. Ziel dieses Betriebszustands ist es, den zweiten Katalysator auf eine Betriebstemperatur, die vorzugsweise ca. 250°C beträgt, aufzuheizen oder auf dieser Betriebstemperatur zu halten. Der dafür notwendige Abgasmassenstrom beträgt maximal 70 kg/h, insbesondere 30 - 40 kg/h. Dieser Betriebszustand kann auftreten, wenn sich der Verbrennungsmotor im Schubbetrieb befindet. Das Abgassystem soll dabei in einem Zustand gehalten werden, der es erlaubt, bei einem nachfolgenden Zugbetrieb sofort wirkungsvoll die Schadstoffe aus dem Abgas zu entfernen. Der Abgasstrom heizt dann den zweiten Katalysator mittelbar auf oder hält diesen mittelbar auf seiner Betriebstemperatur. Der Abgasmassenstrom durch die Bypassleitung dient also nur dem Erwärmen oder dem Warmhalten des zweiten Katalysators. Somit wird sichergestellt, dass auch bei einem nachfolgenden Zugbetrieb, in dem vorzugsweise das Abgas über den zweiten Katalysator geleitet wird, wenige Schadstoffe ausgestoßen werden. Vorzugsweise wird die Temperatur im zweiten Katalysator überwacht und für den Fall, dass die Temperatur unter einen Schwellwert von ca. 200°C - 220°C sinkt, stoßweise Abgas in diesen eingeleitet bis der zweite Katalysator wieder auf der gewünschten Betriebstemperatur ist. Wenn nötig, wird zusätzlich die Heizvorrichtung aktiviert. Eine Alternative zum stoßweisen Einleiten von Abgas in den zweiten Katalysator ist das kontinuierliche Einleiten von Abgas, wobei der Abgasmassenstrom gering ist.
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Weiter kann der Abgasstrom teilweise über die Bypassleitung durch den zweiten Katalysator und teilweise über die Abgasleitung durch den ersten Katalysator geleitet Werden, wenn die Abgastemperatur über einer Grenz-Abgastemperatur und der Abgasvolumenstrom über einem oberen Grenz-Abgasvolumenstrom liegt. Dieser Betriebszustand kann als Volllast bezeichnet werden. Es werden beide Katalysatoren benutzt, d. h. beide Katalysatorvolumina stehen in Wechselwirkung mit dem Abgasstrom. Es wird so ein besonders schadstoffarmer Abgasausstoß gewährleistet.
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In einer Ausführungsform wird mittels einer Einspritzvorrichtung eine Harnstoff-Wasser-Lösung über den Abgasstrom in den ersten Katalysator und/oder den zweiten Katalysator eingebracht, wobei die Harnstoff-Wasser-Lösung oder Ammoniak im ersten Katalysator, im zweiten Katalysator und/oder in einer dem zweiten Katalysator zugeordneten Heizvorrichtung zwischengespeichert wird. In diesem Fall sind die beiden Katalysatoren als SCR-Katalysatoren ausgebildet. Die Zwischenspeicherung erfolgt im Vorfeld zu erwartender Lastspitzen, sodass auch in dieser Situation eine wirkungsvolle Schadstoffreduktion stattfinden kann. Auch kann die Zwischenspeicherung von Harnstoff-Wasser-Lösung beim Parken eines Kraftfahrzeugs und dem damit verbundenen Abstellen des Verbrennungsmotors erfolgen, sodass beim nachfolgenden Starten des Verbrennungsmotors die Abgasreinigung sofort einsetzen kann.
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Vorzugsweise wird zur Aufteilung des Abgasstroms zwischen der Abgasleitung und der Bypassleitung eine Ventileinrichtung, insbesondere ein Klappenventil, verstellt.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, das in der beigefügten Zeichnung gezeigt ist. Es zeigt:
- - 1 schematisch ein erfindungsgemäßes Abgassystem, mit dem ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines Abgassystems ausführbar ist.
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In 1 ist ein Abgassystem 10 für einen Verbrennungsmotor 12 eines nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeugs dargstellt.
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Das Abgassystem 10 umfasst einen ersten Katalysator 14, einen zweiten Katalysator 16, einen dritten Katalysator 18, einen Partikelfilter 20 sowie eine Einspritzvorrichtung 22 zum Einspritzen einer Harnstoff-Wasser-Lösung in eine Abgasleitung 24.
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Der erste Katalysator 14 ist dabei an einem stromabwärtigen Ende 26 der Abgasleitung 24 angeordnet.
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Die Einspritzvorrichtung 22 befindet sich stromaufwärts des ersten Katalysators 14.
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In einer Ausführung mit einem motornahen SCR-Katalysator würde sich auch eine Einspritzvorrichtung zwischen dem dritten Katalysator 18 und dem Partikelfilter 20 befinden. Eine solche Ausführungsform ist jedoch nicht dargestellt.
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Der zweite Katalysator 16 ist in einer Bypassleitung 28 angeordnet, die strömungsmäßig parallel zur Abgasleitung 24 verläuft.
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Sowohl der erste Katalysator 14 als auch der zweite Katalysator 16 sind sogenannte SCR-Katalysatoren, wobei das Katalysatorvolumen des ersten Katalysators 14 größer als das Katalysatorvolumen des zweiten Katalysators ist. In der dargestellten Ausführungsform beträgt das Katäiysatorvolumen des ersten Katalysators ca. 5 Liter und das Katalysatorvolumen des zweiten Katalysators ca. 1,5 Liter.
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Der dritte Katalysator 18 ist ein Stickoxid-Speicherkatalysator oder ein Oxidationskatalysator.
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Ausgehend vom Verbrennungsmotor 12 ist entlang einer Abgasströmungsrichtung zunächst der dritte Katalysator 18 angeordnet. Daran schließt sich der Partikelfilter 20 an. Es folgt die Abgasleitung 24, wobei in der dargestellten Ausführungsform die Einspritzvorrichtung 22 an einem partikelfilterseitigen Ende 30 der Abgasleitung 24 angeordnet ist.
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Die Bypassleitung 28 zweigt im Bereich der Einspritzvorrichtung 22 oder stromabwärts davon von der Abgasleitung 24 ab und verläuft dann strömungsmäßig parallel zur Abgasleitung 24.
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Eine Mündung 32 der Bypassleitung 28 zurück in die Abgasleitung 24 ist stromaufwärts des ersten Katalysators 14 und stromabwärts der Einspritzvorrichtung 22 vorgesehen.
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Alternativ kann die Bypassleitung 28 auch direkt in den ersten Katalysator 14 , oder in ein Übergangsstück münden.
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In der Bypassleitung 28 ist stromaufwärts des zweiten Katalysators 16 eine Heizvorrichtung 34 positioniert, die regelbar ist. Ferner dient die Heizvorrichtung 34 auch als Speicher für eine Harnstoff-Wasser-Lösung und/oder für Ammoniak. Allerdings kann die Heizvorrichtung 34 in der Regel sehr viel weniger Harnstoff-Wasser-Lösung und/oder Ammoniak speichern als der zweite Katalysator 16.
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Das Abgassystem 10 umfasst zusätzlich eine Ventileinrichtung 36, die in der dargestellten Ausführung ein Klappenventil ist.
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Mittels der Ventileinrichtung 36 kann die Abgasleitung 24 oder die Bypassleitung 28 wahlweise im Wesentlichen abgasdicht verschlossen werden.
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Auch kann die Ventileinrichtung 36 Zwischenstellungen einnehmen, in denen weder die Abgasleitung 24 zum ersten Katalysator 14 noch die Bypassleitung 28 abgasdicht verschlossen sind.
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Die Ventileinrichtung 36 ist mit einer Steuerungseinheit 38 gekoppelt, die dazu ausgebildet ist, die Ventileinrichtung 36 zu steuern. Die Steuerungseinheit 38 kann also wahlweise einen Strömungspfad für einen Abgasstrom über die Abgasleitung 24 durch den ersten Katalysator 14 (Stellung A), über die Bypassleitung 28 durch den ersten Katalysator 14 und den zweiten Katalysator 16 (Stellung B) oder über die Abgasleitung 24 und die Bypassleitung 28 durch beide Katalysatoren 14, 16 eröffnen (Stellung C).
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Die Steuerungseinheit 38 ist ferner mit einem Abgastemperatursensor 40 und einem Abgasvolumenstromsensor 42 gekoppelt und arbeitet in Abhängigkeit der zugehörigen Sensorwerte.
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Dabei kann der Abgasvolumenstromsensor auch als Abgasmassenstromsensor wirken. Dieser kann als Heißfilmsensor. ausgeführt sein. Anstatt im Abgassystem kann dieser auch zwischen einem Luftfilter und einem Verdichter eines Turboladers sitzen.
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In einer nicht näher dargestellten, vereinfachten Variante kann die Ventileinrichtung 36 auch als einfache Stauklappe ausgeführt sein. In einer geöffneten Stellung dieser Stauklappe sind sowohl die Abgasleitung 24 als auch die Bypassleitung 28 geöffnet. Durch den Strömungswiderstand der Heizvorrichtung 34 und des zweiten Katalysators 16 wird dabei jedoch ein überwiegender Teil des Abgases durch die Abgasleitung 24 strömen.
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In einer geschlossenen Stellung der Stauklappe ist die Abgasleitung 24 abgesperrt, sodass das Abgas über die Bypassleitung 28 geführt wird. Diese Stellung wird beispielsweise nach einem Kaltstart oder im Stadtbetrieb gewählt.
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Um in einem Betriebsmodus, der eine geöffnete Stellung der Stauklappe benötigt, das Abgas zu beheizen, kann es sinnvoll sein, die Stauklappe mehrmals für kurze Zeit in die geschlossene Stellung zu versetzen. Damit kann der zweite Katalysator 16 gezielt erwärmt werden.
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Zusätzlich ist die Steuerungseinheit 38 in der dargestellten Ausführungsform mit der Einspritzvorrichtung 22 gekoppelt, sodass sie auch die eingespritzte Menge an Harnstoff-Wasser-Lösung sowie die zugehörigen Einspritzzeitpunkte und Einspritzdauern steuern kann. Selbstverständlich kann als Reduktionsmittel auch gasförmiger Ammoniak in das Abgassystem eingeblasen werden.
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Darüber hinaus ist eine nicht näher dargestellte Einrichtung zur Bestimmung einer Stickoxidkonzentration vorgesehen und mit der Steuerungseinheit 38 gekoppelt. Die Einrichtung kann ein Stickoxid-Sensor (NOx-Sonde) oder ein Simulationsmodell sein, In beiden Fällen bestimmt die Einrichtung eine Stickoxidkonzentration, die die Steuerungseinheit 38 beim Steuern der Ventileinrichtung 36 berücksichtigt.
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Bevorzugt wird die Stickoxidkonzentration stromaufwärts der Ventileinrichtung 36 bestimmt, sodass das Abgas stets in diejenige Leitung aus Abgasleitung 24 und Bypassleitung 28 geführt werden kann, in der die besten Bedingungen zur Abgasnachbehandlung vorliegen.
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Im Betrieb des Abgassystems 10 wird ein Abgasstrom also wahlweise über die Abgasleitung 24 durch den ersten Katalysator 14, über die Bypassleitung 28 durch den ersten Katalysator 14 und den zweiten Katalysator 16 oder über die Abgasleitung 24 und die Bypassleitung 28 durch beide Katalysatoren 14, 16 geleitet.
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Die Aufteilung des Abgasstroms, also die Auswahl des Strömungspfades, erfolgt dabei in Abhängigkeit der Abgastemperatur, die vom Abgastemperatursensor 40 gemessen wird und/oder des Abgasvolumenstroms, der mittels des Abgasvolumenstromsensors 42 erfasst wird.
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In einem sogenannten Normalbetrieb, des Verbrennungsmotors 12 befinden sich eine Abgastemperatur über eine Grenz-Abgastemperatur und ein Abgasvolumenstrom zwischen einem unteren und einem oberen Grenz-Abgasvolumenstrom.
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Die Grenz-Abgastemperatur beträgt 200°C - 230°C.
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Sie entspricht somit einer Mindest-Temperatur, die für einen Betrieb des ersten Katalysators 14 und/oder des zweiten Katalysators 16 notwendig ist.
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In dieser Situation wird die Ventileinrichtung 36 in der Stellung A gehalten. Der Abgasstrom wird also ausschließlich über die Abgasleitung 24 durch den ersten Katalysator 14 geleitet. Aufgrund der vorliegenden Abgastemperatur kann mit diesem ersten Katalysator 14 ein hoher NOx-Umsatz erreicht werden.
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Für den Fall, dass der Verbrennungsmotor 12 in einem Betriebszustand ist, in dem die Abgastemperatur geringer als die Grenz-Abgastemperatur und der Abgasvolumenstrom kleiner als ein oberer Abgasvolumenstrom sind, liegt ein sogenannter Teillastbetrieb vor.
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Dabei ist die Abgastemperatur derart gering, dass der erste Katalysator 14 und/oder der zweite Katalysator 16 über das Abgas nicht auf die notwendige Betriebstemperatur erhitzt werden kann bzw. können.
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In diesem Fall wird die Ventileinrichtung 36 in die Position B verstellt. Sie verschließt also die Abgasleitung 24 und leitet den Abgasvolumenstrom ausschließlich über die Bypassleitung 28 durch den ersten Katalysator 14 und den zweiten Katalysator 16.
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Gleichzeitig durchströmt der Abgasvolumenstrom damit die Heizvorrichtung 34. Der Abgasvolumenstrom kann also erwärmt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der zweite Katalysator 16 bereits im Vorfeld über die Heizvorrichtung 34 auf eine Temperatur von ca. 230°C vorgeheizt wurde.
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Weiter ist es vorteilhaft, wenn bereits vorbereitend im zweiten Katalysator 16 Ammoniak gespeichert wurde, beispielsweise 2g/Liter.
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Somit ist sichergestellt, dass im zweiten Katalysator 16 ein ausreichender NOx-Umsatz stattfindet.
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Auch in einem sogenannten Schubbetrieb kann es vorkommen, dass eine Abgastemperatur unter der Grenz-Abgastemperatur und der Abgasvolumenstrom unter einem unteren Grenz-Abgasvolumenstrom liegen.
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In dieser Situation kommt es darauf an, das Abgassystem 10 derart betriebsbereit zu halten, dass es in einem nachfolgenden Zugbetrieb des Verbrennungsmotors 12 wirkungsvoll die Schadstoffe aus dem Abgas entfernen kann.
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Dafür wird die Ventileinrichtung 36 derart eingestellt, dass der Abgasvolumeristrom teilweise über die Abgasleitung durch den ersten Katalysator 14 und teilweise über die Bypassleitung 28 durch den zweiten Katalysator 16 geleitet wird (Stellung C).
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I Allerdings ist der Teil-Abgasvolumenstrom durch den zweiten Katalysator 16 und damit durch die Bypassleitung 28 sehr gering. Vorzugsweise beträgt er weniger als 10 % des Teil-Abgasvolumenstroms durch die Abgasleitung 24.
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Der Teil-Abgasvolumenstrom durch die Bypassleitung 28 wird dabei durch die Heizvorrichtung 34 beheizt. Somit wird der zweite Katalysator 16 auf eine Temperatur gebracht, bei der ein guter NOx-Umsatz stattfinden kann, beispielsweise 230°C bis 280°C.
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Die zum Heizen notwendige elektrische Energie kann im Schubbetrieb besonders effizient über einen Generatorbetrieb der Lichtmaschine bereitgestellt werden.
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Somit wird der zweite Katalysator 16 auf seiner Betriebstemperatur gehalten.
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Der erste Katalysator 14 kann dabei auskühlen, d. h. eine Temperatur im ersten Katalysator 14 kann unter ca. 200° sinken.
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In einem nachfolgenden Zugbetrieb kann dann die Ventileinrichtung 36 in die Position B verstellt werden, sodass ein Abgasvolumenstrom ausschließlich durch die Bypassleitung 28 geleitet wird.
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In einem sogenannten Volllast-Betrieb liegen eine Abgastemperatur über der Grenz-Abgastemperatur und ein Abgasvolumenstrom über dem oberen Grenz-Abgasvolumenstrom.
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Dann wird die Ventileinrichtung 36 in die Stellung C gebracht.
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In dieser Stellung wird der Abgasstrom teilweise über die Bypassleitung 28 durch den zweiten Katalysator 16 und teilweise über die Abgasleitung durch den ersten Katalysator 14 geleitet. Es werden somit beide Katalysatoren 14, 16 für die Abgasreinigung benutzt.
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Alternativ kann die Ventileinrichtung 36 auch in die Stellung Agebracht werden, um die Ammoniak-Bilanz am ersten Katalysator 14 aufrecht erhalten zu können.
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Wenn vor dem Abstellen des Verbrennungsmotors der zweite Katalysator 16 auf ca. 200°C bis 350°C abkühlt, kann wieder Ammoniak oder Wasser-Harnstoff- Lösung in diesen eingelagert werden. Dadurch ist das Abgassystem 10 für einen erneuten Start des Verbrennungsmotors 12 vorbereitet.
