DE102018101929A1 - Device and method for exhaust aftertreatment of an internal combustion engine - Google Patents

Device and method for exhaust aftertreatment of an internal combustion engine Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem (20) für einen Verbrennungsmotor (10), insbesondere einen Dieselmotor. Das Abgasnachbehandlungssystem (20) umfasst eine Abgasanlage (22), in welcher ein motornaher NO-Speicherkatalysator (40) oder ein Oxidationskatalysator (38) angeordnet ist. Stromabwärts dieses ersten motornahen Katalysators (38, 40) sind zwei SCR-Katalysatoren (26, 30) angeordnet, welchen jeweils ein Dosierventil (32, 34) zur Eindosierung von einem Reduktionsmittel (92) zugeordnet sind. Dabei weist der NO-Speicherkatalysator (40) oder der Oxidationskatalysator (38) ein elektrisches Heizelement (36) auf, mit welchem der Katalysator (38, 40) unabhängig vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10) beheizbar ist.Es ist vorgesehen, dass der motornahe NO-Speicherkatalysator (40) oder der motornahe Oxidationskatalysator (38) ab dem Motorstart des Verbrennungsmotors (10) elektrisch beheizt werden, um möglichst schnell eine Betriebstemperatur zu erreichen, in der eine Konvertierung oder Zwischenspeicherung von Emissionen möglich ist. Somit können die Kaltstartemissionen des Verbrennungsmotors (10) verbessert werden.The invention relates to an exhaust aftertreatment system (20) for an internal combustion engine (10), in particular a diesel engine. The exhaust aftertreatment system (20) comprises an exhaust system (22) in which a close-coupled NO storage catalyst (40) or an oxidation catalyst (38) is arranged. Downstream of this first close-coupled catalyst (38, 40), two SCR catalysts (26, 30) are arranged, which are each assigned a metering valve (32, 34) for metering in a reducing agent (92). In this case, the NO storage catalytic converter (40) or the oxidation catalytic converter (38) has an electrical heating element (36) with which the catalytic converter (38, 40) can be heated independently of the exhaust gas flow of the internal combustion engine (10) NO storage catalytic converter (40) or the close-coupled oxidation catalyst (38) from the engine start of the internal combustion engine (10) are electrically heated to reach an operating temperature as quickly as possible, in which a conversion or caching of emissions is possible. Thus, the cold start emissions of the internal combustion engine (10) can be improved.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to a device for exhaust aftertreatment of an internal combustion engine and to a method for the exhaust aftertreatment of an internal combustion engine according to the preamble of the independent claims.

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, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren aufweisen. Um nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors die Katalysatoren auf eine Betriebstemperatur zu bringen, ist eine möglichst motornahe Anordnung der Katalysatoren wünschenswert. Dies ist jedoch nicht immer möglich, da der Bauraum begrenzt ist. Daher werden SCR-Katalysatoren und/oder Rußpartikelfilter oftmals in einer motorfernen Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges angeordnet. Ferner werden zur Abgasreinigung sogenannte NOX-Speicherkatalysatoren verwendet, um die bei der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in den Brennräumen des Verbrennungsmotors entstehenden Stickoxide aufzunehmen. Diese NOX-Speicherkatalysatoren müssen jedoch periodisch durch einen unterstöchiometrischen Betrieb regeneriert werden, was zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch führt. Ein weiterer Nachteil von NOX-Speicherkatalysatoren ist, dass bei hohen Abgastemperaturen keine Stickoxide in dem NOX-Speicherkatalysator eingelagert werden können. Zudem sind NOX-Speicherkatalysatoren alterungsanfällig, sodass die Speicherkapazität mit der Lebenszeit des NOX-Speicherkatalysators deutlich abnimmt. Zur Kompensation der Alterungsneigung sind große Katalysatorvolumina und entsprechend hohe Edelmetallmengen notwendig, was entsprechende Nachteile bei dem Bauraumbedarf und den Kosten mit sich bringt.The current and increasingly stringent future exhaust gas legislation places high demands on the engine raw emissions and the exhaust aftertreatment of internal combustion engines. The demands for a further reduction in consumption and the further tightening of emission standards with regard to permissible nitrogen oxide emissions pose a challenge to engine developers. In gasoline engines, exhaust gas purification takes place in a known manner via a three-way catalytic converter, as well as the three-way catalytic converter. Catalyst upstream and downstream further catalysts. For diesel engines exhaust gas aftertreatment systems are currently used, which have an oxidation catalyst, a catalyst for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides (SCR catalyst) and a particle filter for the separation of soot particles and optionally other catalysts. In order to bring the catalysts to an operating temperature after a cold start of the internal combustion engine, it is desirable to arrange the catalytic converters as closely as possible to the engine. However, this is not always possible because the space is limited. Therefore, SCR catalytic converters and / or soot particle filters are often arranged in a motor vehicle underbody layer of a motor vehicle. Furthermore, so-called NO X storage catalytic converters are used for the purification of exhaust gas in order to absorb the nitrogen oxides formed during the combustion of the fuel-air mixture in the combustion chambers of the internal combustion engine. However, these NO x storage catalysts must be regenerated periodically by a stoichiometric operation, resulting in increased fuel consumption. Another disadvantage of NO x storage catalysts is that at high exhaust gas temperatures no nitrogen oxides can be stored in the NO x storage catalytic converter. In addition, NO x storage catalysts are susceptible to aging, so that the storage capacity decreases significantly with the lifetime of the NO x storage catalytic converter. To compensate for the tendency to age large catalyst volumes and correspondingly high amounts of noble metals are necessary, which brings with it corresponding disadvantages in terms of space requirements and costs.

Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, welche im Folgenden als SCR-Katalysatoren bezeichnet werden, haben den Nachteil, dass eine spürbare Konvertierung von Stickoxiden erst ab einer Temperatur von ca. 170°C einsetzt. Der zur Reduktion der Stickoxide eingesetzte Ammoniak, welcher in der Regel aus einer wässrigen Harnstofflösung gewonnen wird, oxidiert bei Temperaturen oberhalb von 450°C, sodass oberhalb dieser Temperatur ebenfalls nur eine geringe Konvertierung von schädlichen Stickoxiden mittels des SCR-Katalysators möglich ist. Zudem besteht bei Motoren mit einer Niederdruckabgasrückführung die Gefahr, dass das Reduktionsmittel in die Abgasrückführung gelangt, und dort bei niedrigen Temperaturen an den Wänden des Abgaskanals anlagert. Dabei kristallisiert der Harnstoff aus der wässrigen Harnstofflösung aus, was zu Ablagerungen an den Wänden des Abgaskanals der Niederdruckabgasrückführung führen kann, welche die Funktion der Abgasrückführung einschränken können.Catalysts for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides, which are referred to below as SCR catalysts, have the disadvantage that a noticeable conversion of nitrogen oxides only begins at a temperature of about 170 ° C. The ammonia used to reduce the nitrogen oxides, which is usually obtained from an aqueous urea solution, oxidized at temperatures above 450 ° C, so above this temperature also only a small conversion of harmful nitrogen oxides by means of the SCR catalyst is possible. In addition, there is the risk in engines with a low-pressure exhaust gas recirculation that the reducing agent enters the exhaust gas recirculation, where it attaches at low temperatures on the walls of the exhaust passage. In this case, the urea crystallizes out of the aqueous urea solution, which can lead to deposits on the walls of the exhaust gas channel of the low-pressure exhaust gas recirculation, which can limit the function of the exhaust gas recirculation.

Immer effizientere Verbrennungsmotoren führen zu immer niedrigeren Abgastemperaturen in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors. Gleichzeitig verlangt der Gesetzgeber mit Einführung neuer Abgasnormen das Einhalten von strengen Grenzwerten unter realen Fahrbedingungen. Damit werden die Bedingungen für die Abgasnachbehandlung schwieriger. Die Herausforderung besteht darin, durch die Kombination von verschiedenen Komponenten der Abgasnachbehandlung sowohl den Tieftemperaturbereich, insbesondere nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors, als auch den Hochtemperaturbereich, insbesondere bei einem Hochlastbetrieb oder bei einer Regeneration eines Partikelfilters, abzudecken.More and more efficient internal combustion engines lead to ever lower exhaust gas temperatures in the exhaust system of the internal combustion engine. At the same time, with the introduction of new emission standards, the legislator demands compliance with strict limits under real driving conditions. This makes the conditions for the exhaust aftertreatment more difficult. The challenge is to cover both the low-temperature range, in particular after a cold start of the internal combustion engine, and the high-temperature range, in particular in a high-load operation or in the regeneration of a particulate filter, by combining different components of the exhaust gas aftertreatment.

Aus der DE 10 2016 223 558 A1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor bekannt, bei dem in der Abgasanlage stromabwärts einer Turbine eines Abgasturboladers ein Oxidationskatalysator oder ein NOX-Speicherkatalysator angeordnet ist. Weiter stromabwärts ist ein erstes Dosierelement zur Eindosierung eines Reduktionsmittels zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet, welchem ein erster SCR-Katalysator oder ein Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden nachgeschaltet ist. Weiter stromabwärts ist in der Abgasanlage ein zweites Dosierelement zur Eindosierung eines Reduktionsmittels angeordnet, welchem ein zweiter SCR-Katalysator nachgeschaltet ist.From the DE 10 2016 223 558 A1 an exhaust aftertreatment system for an internal combustion engine is known, in which in the exhaust system downstream of a turbine of an exhaust gas turbocharger, an oxidation catalyst or a NO x storage catalyst is arranged. Further downstream, a first metering element for metering in a reducing agent for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides is arranged, which is followed by a first SCR catalyst or a particle filter with a coating for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides. Further downstream, a second metering element for metering in a reducing agent is arranged in the exhaust system, which is followed by a second SCR catalyst downstream.

Aus der DE 10 2014 105 043 A1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor bekannt. Das Abgasnachbehandlungssystem weist eine erste Einspritzvorrichtung auf, mit welcher Kraftstoff und eine zweite Einspritzvorrichtung, mit welcher eine wässrige Harnstofflösung in den Abgaskanal eindosiert werden kann. Dabei sind stromabwärts der ersten Einspritzvorrichtung ein Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion mittels Kohlenwasserstoffen und ein Oxidationskatalysator und stromabwärts der zweiten Einspritzvorrichtung ein SCR-Katalysator und ein Partikelfilter angeordnet. Dem Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion mittels Kohlenwasserstoffen ist ein Heizelement zugeordnet, mit welchem dieser Katalysator beheizbar ist.From the DE 10 2014 105 043 A1 An exhaust aftertreatment system for an internal combustion engine is known. The exhaust aftertreatment system has a first injection device, with which fuel and a second injection device, with which an aqueous urea solution can be metered into the exhaust passage. In this case, downstream of the first injection device, a catalyst for selective catalytic reduction by means of hydrocarbons and an oxidation catalyst and downstream of the second Injector arranged an SCR catalyst and a particulate filter. The catalyst for selective catalytic reduction by means of hydrocarbons is assigned a heating element with which this catalyst can be heated.

Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Abgasnachbehandlungssystemen ist, dass diese nicht zu allen Zeiten des Betriebs und nicht unter allen Betriebsbedingungen eine optimale Konvertierung von Schadstoffemissionen, insbesondere der NOX-Emissionen, ermöglichen.A disadvantage of the exhaust aftertreatment systems known from the prior art is that they do not allow optimal conversion of pollutant emissions, in particular NO x emissions, at all times of operation and not under all operating conditions.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine hocheffiziente Abgasnachbehandlung in allen Temperaturbereichen zu ermöglichen und insbesondere die Kaltstart-Emissionen, insbesondere die NOX-Emissionen in der Kaltstartphase, weiter zu verringern.The invention is based on the object to enable a highly efficient exhaust aftertreatment in all temperature ranges and in particular to further reduce the cold-start emissions, in particular the NO x emissions in the cold start phase.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasanlage, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgases durch die Abgasanlage ein motornaher erster Katalysator, stromabwärts dieses motornahen ersten Katalysators ein erster SCR-Katalysator und weiter stromabwärts ein zweiter SCR-Katalysator angeordnet sind, gelöst. Dabei sind dem ersten SCR-Katalysator ein erstes Dosiermodul und dem zweiten SCR-Katalysator ein zweites Dosiermodul zur Eindosierung eines Reduktionsmittels in die Abgasanlage zugeordnet. Der motornahe erste Katalysator und/oder zumindest einer der SCR-Katalysatoren weisen ein elektrisches Heizelement auf, mit welchem zumindest einer der Katalysatoren unabhängig vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors beheizbar ist. Dabei wird unter einer motornahen Position eine Position in der Abgasanlage mit einem mittleren Abgaslaufweg von höchstens 80 cm, insbesondere von höchstens 50 cm, nach dem Auslass des Verbrennungsmotors verstanden. Eine motorferne Position findet sich insbesondere in einer Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges und weist einen mittleren Abgaslaufweg von mindestens 80 cm, vorzugsweise von mindestens 100 cm nach dem Auslass des Verbrennungsmotors auf. Durch zwei unterschiedliche SCR-Katalysatoren, welche in unterschiedlichen Abständen zu dem Auslass des Verbrennungsmotors angeordnet sind, herrschen an beiden SCR-Katalysatoren unterschiedliche Temperaturen vor. Somit ist es möglich, mindestens einen der SCR-Katalysatoren in einem Temperaturfenster zu betreiben, um eine effiziente Reduktion der Stickoxide zu ermöglichen. Durch ein entsprechendes Heizelement können der motornahe erste Katalysator oder einer der SCR-Katalysatoren unabhängig vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors beheizt werden und somit zeitnah nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors auf ihre Betriebstemperatur gebracht werden, wodurch die Kaltstartemissionen verringert werden können. Somit ist es durch eine Kombination von mehreren SCR-Katalysatoren und einem elektrischen Heizelement möglich, in allen Betriebssituationen des Verbrennungsmotors eine effiziente Konvertierung von Schadstoffen zu erreichen.According to the invention, this object is achieved by an exhaust aftertreatment system for an internal combustion engine with an exhaust system in which in the flow direction of an exhaust gas through the exhaust system a close-coupled first catalyst, downstream of this near-engine first catalyst, a first SCR catalyst and further downstream, a second SCR catalyst are arranged solved , In this case, a first metering module and the second SCR catalyst a second metering module for metering a reducing agent are assigned to the first SCR catalyst in the exhaust system. The close-coupled first catalytic converter and / or at least one of the SCR catalytic converters have an electrical heating element with which at least one of the catalytic converters can be heated independently of the exhaust gas flow of the internal combustion engine. In this case, a position close to the engine is understood to mean a position in the exhaust system with a mean exhaust gas flow path of at most 80 cm, in particular of at most 50 cm, after the outlet of the internal combustion engine. An engine-remote position is found in particular in an underfloor position of a motor vehicle and has a mean exhaust flow path of at least 80 cm, preferably at least 100 cm after the outlet of the internal combustion engine. By two different SCR catalysts, which are arranged at different distances to the outlet of the internal combustion engine, prevail at both SCR catalysts different temperatures. Thus, it is possible to operate at least one of the SCR catalysts in a temperature window to allow an efficient reduction of nitrogen oxides. By means of a corresponding heating element, the engine-near first catalytic converter or one of the SCR catalytic converters can be heated independently of the exhaust gas flow of the internal combustion engine and thus brought to their operating temperature promptly after a cold start of the internal combustion engine, whereby the cold start emissions can be reduced. Thus, it is possible by a combination of several SCR catalysts and an electric heating element to achieve an efficient conversion of pollutants in all operating situations of the internal combustion engine.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Abgasnachbehandlungssystems möglich.By the features listed in the dependent claims advantageous improvements and developments of the exhaust gas aftertreatment system given in the independent claim are possible.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der motornahe erste Katalysator als Oxidationskatalysator, NOX-Speicherkatalysator oder passiver NOX-Adsorber ausgeführt ist. Ein NOX-Speicherkatalysator oder ein passiver NOX-Adsorber haben den Vorteil, dass Stickoxide im Abgas des Verbrennungsmotors zurückgehalten werden können, solange die SCR-Katalysatoren noch nicht ihre Betriebstemperatur erreicht haben und eine effiziente Konvertierung dieser Stickoxid-Emissionen durch zumindest einen der SCR-Katalysatoren möglich ist. Dadurch können die Stickoxid-Emissionen in der Kaltstartphase verringert werden.In a preferred embodiment of the invention, it is provided that the first catalytic converter close to the catalyst is designed as an oxidation catalyst, NO x storage catalytic converter or passive NO x adsorber. A NO x storage catalyst or a passive NO x adsorber has the advantage that nitrogen oxides can be retained in the exhaust gas of the internal combustion engine as long as the SCR catalysts have not yet reached their operating temperature and an efficient conversion of these nitrogen oxide emissions by at least one of the SCR -Catalysts is possible. As a result, the nitrogen oxide emissions in the cold start phase can be reduced.

Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der motornahe erste Katalysator ein Heizelement in Form einer Heizscheibe aufweist, welche mit der katalytisch wirksamen Struktur des ersten Katalysators verbunden ist. Eine Heizscheibe kann auf einfache Art und Weise in einen Katalysator integriert werden, wobei eine einfache Verbindung zwischen der Heizscheibe und dem Katalysatorkörper, beispielsweise durch eine Stiftverbindung, möglich ist.It is particularly preferred if the close-coupled first catalyst has a heating element in the form of a heating disk, which is connected to the catalytically active structure of the first catalyst. A heating disk can be easily integrated into a catalyst, wherein a simple connection between the heating disk and the catalyst body, for example by a pin connection, is possible.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der motornahe erste Katalysator als passiver NOX-Adsorber ausgeführt ist, wobei das Heizelement ausgangsseitig des NOX-Adsorbers angeordnet ist. Da ein passiver NOX-Absorber eine Einspeicherung von Stickoxiden bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen ermöglicht und diese Stickoxide bei höheren Temperaturen wieder freisetzt, ist es vorteilhaft, das Heizelement ausgangsseitig des passiven NOX-Adsorbers anzuordnen, um den Abgasstrom stromabwärts des passiven NOX-Adsorbers aufzuheizen und somit den SCR-Katalysator schnellstmöglich auf seine Betriebstemperatur zu bringen.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the first catalytic converter close to the catalyst is designed as a passive NO x adsorber, wherein the heating element is arranged on the output side of the NO x adsorber. Since a passive NO x absorber allows storage of nitrogen oxides at comparatively low temperatures and releases them again at higher temperatures, it is advantageous to arrange the heating element on the output side of the passive NO x adsorber to the exhaust gas stream downstream of the passive NO x adsorber to heat up and thus bring the SCR catalyst as soon as possible to its operating temperature.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass der erste SCR-Katalysator als Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ausgeführt ist. Dadurch kann ein zusätzlicher Partikelfilter vermieden werden, wodurch das Abgasnachbehandlungssystem insgesamt kompakter und kostengünstiger ausgeführt werden kann.In a preferred embodiment of the exhaust aftertreatment system, it is provided that the first SCR catalytic converter is designed as a particle filter with a coating for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides. Thereby, an additional particulate filter can be avoided, whereby the exhaust aftertreatment system as a whole can be made more compact and cheaper.

Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Partikelfilter eine elektrische Heizscheibe oder ein direkt beheizbares Substrat aufweist. Durch eine elektrische Heizscheibe oder ein direkt beheizbares Substrat kann der Partikelfilter schneller auf seine Betriebstemperatur gebracht werden. Ferner kann die Heizscheibe oder das beheizbare Substrat beim Aufheizen des Partikelfilters auf eine Regenerationstemperatur unterstützend eingesetzt werden, wodurch Betriebsphasen, in denen der Verbrennungsmotor zum Aufheizen des Partikelfilters mit einem geringen Wirkungsgrad betrieben wird, verringert werden können.It is particularly preferred if the particle filter has an electric heating disk or a directly heatable substrate. An electric heating disk or a directly heatable substrate allows the particle filter to be brought to its operating temperature more quickly. Further, the heating disk or the heatable substrate can be used to assist in heating the particulate filter to a regeneration temperature, whereby operating phases in which the internal combustion engine is operated to heat the particulate filter with a low efficiency can be reduced.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Partikelfilter eine SCR-Katalysatorscheibe umfasst, welche dem Filterkörper des Partikelfilters vorgeschaltet ist. Dabei ist die SCR-Katalysatorscheibe thermisch von dem Partikelfilter mit der SCR-Beschichtung isoliert. Die SCR-Katalysatorscheibe ist vorzugsweise im gleichen Gehäuse wie der Partikelfilter mit der SCR-Beschichtung angeordnet, jedoch stromaufwärts des Partikelfilters angeordnet. Diese SCR-Katalysatorscheibe ist vergleichsweise kleinvolumig, sodass sich diese SCR-Katalysatorscheibe schnell aufheizt und vergleichsweise schnell das Temperaturfenster zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden erreicht. Zudem weist die SCR-Katalysatorscheibe eine höhere Washcoatmenge pro Fläche als der beschichtete Partikelfilter auf und hat aufgrund der höheren Washcoatmenge ein besseres Umsatzverhalten pro Volumen als der Partikelfilter mit der SCR-Beschichtung.In a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the particle filter comprises an SCR catalyst disk, which is connected upstream of the filter body of the particulate filter. The SCR catalyst disk is thermally isolated from the particulate filter with the SCR coating. The SCR catalyst disk is preferably disposed in the same housing as the particulate filter with the SCR coating but disposed upstream of the particulate filter. This SCR catalyst disk is comparatively small in volume, so that this SCR catalyst disk heats up quickly and comparatively quickly reaches the temperature window for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides. In addition, the SCR catalytic converter disk has a higher washcoat quantity per area than the coated particle filter and, due to the higher washcoat amount, has a better volume per volume conversion performance than the SCR coating particle filter.

In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite SCR-Katalysator einen Ammoniak-Sperrkatalysator umfasst, welcher dem Katalysatorkörper des SCR-Katalysators nachgeschaltet ist. Dadurch kann verhindert werden, dass bei der selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden nicht im SCR-Katalysator umgesetztes Ammoniak als Endrohremission emittiert wird. Dadurch können die Emissionen des Verbrennungsmotors weiter verringert werden.In a further improvement of the invention, it is provided that the second SCR catalyst comprises an ammonia blocking catalyst, which is connected downstream of the catalyst body of the SCR catalyst. This can prevent that in the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides not converted in the SCR catalyst ammonia is emitted as a tailpipe emission. As a result, the emissions of the internal combustion engine can be further reduced.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem vorgeschlagen, wobei der motornahe erste Katalysator und/oder einer der SCR-Katalysatoren ab einem Motorstart des Verbrennungsmotors beheizt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die Katalysatoren gegenüber einem ausschließlichen Aufheizen durch den Abgasstrom des Verbrennungsmotors schneller ihre Betriebstemperatur erreichen und somit die Kaltstartemissionen verringert werden können.According to the invention, a method for exhaust aftertreatment of an internal combustion engine with an exhaust aftertreatment system according to the invention is proposed, wherein the engine-near first catalyst and / or one of the SCR catalysts are heated starting from an engine start of the internal combustion engine. This ensures that the catalytic converters can reach their operating temperature faster than exclusive heating by the exhaust gas flow of the internal combustion engine and thus that the cold start emissions can be reduced.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass der motornahe, erste Katalysator als ein elektrisch beheizbarer NOX-Speicherkatalysator ausgeführt ist, wobei der NOX-Speicherkatalysator solange elektrisch beheizt wird, bis der NOX-Speicherkatalysator eine Schwellentemperatur erreicht hat, ab der eine effiziente Zwischenspeicherung von Stickoxiden in dem NOX-Speicherkatalysator möglich ist. NOX-Speicherkatalysatoren können ab einer Temperatur von etwa 100°C Stickoxide einspeichern. Ein SCR-Katalysator erreicht etwa in einem Temperaturbereich zwischen 200°C und 450°C ein Temperaturfenster, in dem eine effiziente Konvertierung von Stickoxid-Emissionen möglich ist. Um die Emissionen in der Kaltstartphase zu verringern, ist es daher notwendig, den NOX-Speicherkatalysator schnellstmöglich nach dem Kaltstart auf seine Betriebstemperatur zu bringen. Dabei sollte das Speichervolumen des NOX-Speicherkatalysators so gewählt werden, dass das Zeitfenster überbrückt werden kann, bis zumindest einer der SCR-Katalysatoren seine Betriebstemperatur erreicht hat.In an advantageous embodiment of the method, it is provided that the close-coupled, first catalyst is designed as an electrically heatable NO X storage catalytic converter, wherein the NO x storage catalytic converter is electrically heated until the NO x storage catalytic converter has reached a threshold temperature, starting from an efficient intermediate storage of nitrogen oxides in the NO x storage catalytic converter is possible. NO X storage catalysts can store nitrogen oxides from a temperature of about 100 ° C. For example, an SCR catalytic converter reaches a temperature window in a temperature range between 200 ° C and 450 ° C in which an efficient conversion of nitrogen oxide emissions is possible. In order to reduce emissions in the cold start phase, it is therefore necessary to bring the NO x storage catalytic converter to its operating temperature as soon as possible after the cold start. The storage volume of the NO x storage catalytic converter should be selected so that the time window can be bridged until at least one of the SCR catalysts has reached its operating temperature.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigen:

  • 1 einen Verbrennungsmotor mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem;
  • 2 ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor;
  • 3 verschiedene Positionen für ein Heizelement an einem motornahen ersten Katalysator;
  • 4 mögliche Konfigurationen zur Beheizung eines Partikelfilters mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden in einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem;
  • 5 einen Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung, dem eine SCR-Katalysatorscheibe vorgeschaltet ist; und
  • 6 einen SCR-Katalysator eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems, dem ein Ammoniak-Sperrkatalysator nachgeschaltet ist.
The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Identical components or components with the same function are identified by the same reference numerals. Show it:
  • 1 an internal combustion engine with an exhaust aftertreatment system according to the invention;
  • 2 an exhaust aftertreatment system according to the invention for an internal combustion engine;
  • 3 various positions for a heating element on a first catalyst near the engine;
  • 4 possible configurations for heating a particulate filter with a coating for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides in an exhaust aftertreatment system according to the invention;
  • 5 a particulate filter with an SCR coating, preceded by an SCR catalyst disk; and
  • 6 an SCR catalyst of an exhaust aftertreatment system according to the invention, which is followed by an ammonia blocking catalyst.

1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 mit einem Luftversorgungssystem 70 und einer Abgasanlage 22. Der Verbrennungsmotor 10 weist eine Mehrzahl von Brennräumen 12 auf, in denen ein Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Einlass 13 auf, welcher mit dem Luftversorgungssystem 70 verbunden ist. Der Verbrennungsmotor 10 weist ferner einen Auslass 16 auf, welcher mit der Abgasanlage 22 verbunden ist. An dem Verbrennungsmotor 10 ist eine Hochdruckabgasrückführung vorgesehen, welche den Auslass 16 mit dem Einlass 14 verbindet. In der Hochdruckabgasrückführung ist ein Abgasrückführungsventil angeordnet, mit welchem die Menge an zurückgeführtem Abgas gesteuert werden kann. 1 shows an internal combustion engine 10 with an air supply system 70 and an exhaust system 22 , The internal combustion engine 10 has a plurality of combustion chambers 12 on, in which a fuel-air mixture is burned. The internal combustion engine 10 has an inlet 13 on which with the air supply system 70 connected is. The internal combustion engine 10 also has an outlet 16 on, which with the exhaust system 22 connected is. At the internal combustion engine 10 a high pressure exhaust gas recirculation is provided, which is the outlet 16 with the inlet 14 combines. In the high-pressure exhaust gas recirculation EGR valve is arranged, with which the amount of recirculated exhaust gas can be controlled.

Das Luftversorgungssystem 70 umfasst einen Luftfilter, welcher an einem Ansaugkanal 74 angeordnet ist. Stromabwärts des Luftfilters ist ein Verdichter 72 eines Abgasturboladers 18 angeordnet, welcher die Frischluft verdichtet. Weiter stromabwärts des Verdichters 72 ist in dem Ansaugkanal 74 ein Ladeluftkühler 76 vorgesehen, welcher die verdichtete Frischluft abkühlt und somit die Füllung der Brennräume 12 weiter verbessert. Stromabwärts des Ladeluftkühlers 76 kann eine Drosselklappe angeordnet werden, um die den Brennräumen 12 des Verbrennungsmotors 10 zugeführte Luftmenge zu steuern.The air supply system 70 includes an air filter which is connected to an intake passage 74 is arranged. Downstream of the air filter is a compressor 72 an exhaust gas turbocharger 18 arranged, which compresses the fresh air. Further downstream of the compressor 72 is in the intake channel 74 a charge air cooler 76 provided, which cools the compressed fresh air and thus the filling of the combustion chambers 12 further improved. Downstream of the intercooler 76 A throttle may be placed around the combustion chambers 12 of the internal combustion engine 10 to control the amount of air supplied.

Die Abgasanlage 22 weist einen Abgaskanal 50 auf, in dem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 50 eine Turbine 28 des Abgasturboladers 18 und stromabwärts der Turbine 28 eine Mehrzahl von Katalysatoren 24, 26 30, 52 angeordnet ist. Als erste Abgasnachbehandlungskomponente sind in dem Abgaskanal 50 ein motornaher erster Katalysator 24, vorzugsweise ein NOX-Speicherkatalysator 40, ein Diesel-Oxidationskatalysator 38 oder ein passiver NOX-Adsorber 54 angeordnet, welcher einem motornahen ersten SCR-Katalysator 26, insbesondere einem Partikelfilter 42 mit einer Beschichtung 44 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, vorangestellt ist. Stromabwärts der Turbine 28 und stromaufwärts des motornahen ersten Katalysators 24, vorzugsweise am Eingang des motornahen ersten Katalysators 24 ist ein elektrisches Heizelement 36 zum Aufheizen des motornahen, ersten Katalysators 24 vorgesehen, um diesen möglichst schnell nach einem Kaltstart auf seine Betriebstemperatur zu bringen. Stromabwärts des motornahen ersten Katalysators 24 und stromaufwärts des Partikelfilters 42 mit der Beschichtung 44 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ist ein erstes Dosierventil 32 zur Eindosierung eines Reduktionsmittels 92 in dem Abgaskanal 46 angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 42 liegt eine Verzweigungsstelle 84, an der eine Niederdruck-Abgasrückführung 80 aus dem Abgaskanal 50 der Abgasanlage 22 abzweigt. Stromabwärts der Verzweigungsstelle 84 ist im Abgaskanal 50 eine Abgasklappe 94 angeordnet, mit welcher der Abgaskanal 50 zumindest teilweise verschlossen werden kann und auf diese Weise die über die Niederdruckabgasrückführung 80 in das Luftversorgungssystem 70 zurückgeführte Abgasmenge gesteuert werden kann. Stromabwärts der Abgasklappe 94 ist an dem Abgaskanal 50 ein zweites Dosierventil 34 angeordnet, mit welchem Reduktionsmittel 92 stromaufwärts eines zweiten SCR-Katalysators 30 in den Abgaskanal 50 eindosiert werden kann. An dem Abgaskanal 50 ist ferner mindestens ein Temperatursensor angeordnet, um eine Abgastemperatur oder eine Bauteiltemperatur einer Komponente 24, 26, 30 zur Abgasnachbehandlung zu ermitteln. Auf Basis dieser Temperatur und/oder des aktuellen Betriebszustandes des Verbrennungsmotors 10 können in einem Steuergerät 90 dann weitere Temperaturen im Abgaskanal 50, insbesondere die Temperaturen des ersten SCR-Katalysators 26 und des zweiten SCR-Katalysators 30, berechnet werden. Alternativ kann auch an jedem der SCR-Katalysatoren 26, 30 ein Temperatursensor angeordnet sein, um die Temperatur des jeweiligen SCR-Katalysators 26, 30 zu ermitteln.The exhaust system 22 has an exhaust duct 50 in, in the direction of flow of an exhaust gas of the internal combustion engine 10 through the exhaust duct 50 a turbine 28 the exhaust gas turbocharger 18 and downstream of the turbine 28 a plurality of catalysts 24 . 26 30 . 52 is arranged. As the first exhaust aftertreatment component are in the exhaust passage 50 a close-coupled first catalyst 24 , preferably a NO x storage catalyst 40, a diesel oxidation catalyst 38 or a passive NO x adsorber 54, which is a near-engine first SCR catalyst 26 , in particular a particle filter 42 with a coating 44 for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides, is preceded. Downstream of the turbine 28 and upstream of the first catalyst near the engine 24 , preferably at the entrance of the first catalytic converter close to the engine 24 is an electric heating element 36 for heating the near-engine, first catalyst 24 provided to bring this as soon as possible after a cold start to its operating temperature. Downstream of the first catalyst near the engine 24 and upstream of the particulate filter 42 with the coating 44 for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides is a first metering valve 32 for dosing a reducing agent 92 in the exhaust duct 46 arranged. Downstream of the particulate filter 42 there is a branching point 84 , at which a low-pressure exhaust gas recirculation 80 from the exhaust duct 50 the exhaust system 22 branches. Downstream of the branching point 84 is in the exhaust duct 50 an exhaust flap 94 arranged, with which the exhaust duct 50 can be at least partially closed and in this way the low pressure exhaust gas recirculation 80 into the air supply system 70 recycled exhaust gas can be controlled. Downstream of the exhaust flap 94 is on the exhaust duct 50 a second metering valve 34 arranged, with which reducing agent 92 upstream of a second SCR catalyst 30 in the exhaust duct 50 can be metered. At the exhaust duct 50 Furthermore, at least one temperature sensor is arranged to determine an exhaust gas temperature or a component temperature of a component 24 . 26 . 30 to determine the exhaust aftertreatment. Based on this temperature and / or the current operating state of the internal combustion engine 10 can in a control unit 90 then more temperatures in the exhaust duct 50 , in particular the temperatures of the first SCR catalyst 26 and the second SCR catalyst 30 , be calculated. Alternatively, it can also be on each of the SCR catalysts 26 . 30 a temperature sensor may be arranged to match the temperature of the respective SCR catalyst 26 . 30 to investigate.

Die Niederdruckabgasrückführung 80 umfasst einen Abgasrückführungskanal 82, in dem in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Abgasrückführungskanal 82 ein Abgasrückführungskühler 86 und stromabwärts des Abgasrückführungskühlers 86 ein Abgasrückführungsventil 88 zur Steuerung der dem Luftversorgungssystem 70 zugeführten Abgasmenge angeordnet sind. Der Abgasrückführungskanal 82 entspringt an der Verzweigungsstelle 84 aus dem Abgaskanal 50 und mündet an der Einmündung 78 in den Ansaugkanal 74.The low pressure exhaust gas recirculation 80 includes an exhaust gas recirculation passage 82 in which in the flow direction of an exhaust gas through the exhaust gas recirculation passage 82 an exhaust gas recirculation cooler 86 and downstream of the exhaust gas recirculation cooler 86 an exhaust gas recirculation valve 88 for controlling the air supply system 70 supplied amount of exhaust gas are arranged. The exhaust gas recirculation channel 82 rises at the branching point 84 from the exhaust duct 50 and ends at the junction 78 in the intake channel 74 ,

Durch das in 1 dargestellte Abgasnachbehandlungssystem 20 für einen Verbrennungsmotor 10 ist eine Mehrfachdosierung von Reduktionsmittel 92 in die Abgasanlage 22 möglich. Dabei ist vorgesehen, das Reduktionsmittel 92 bei kaltem Verbrennungsmotor 10 motornah dicht nach dem Auslass 16 des Verbrennungsmotors 10 einzudosieren und mit dem motornahen ersten SCR-Katalysator 26 schädliche Stickoxide in ungiftigen molekularen Stickstoff und Wasserdampf zu konvertieren. Motorfern ist das zweite Dosierventil 34 angeordnet und zwar so, dass die Abgastemperaturen durch den Abstand zum Auslass 14 des Verbrennungsmotors 10 niedriger sind und damit eine Konvertierung für mittlere bis hohe Lasten des Verbrennungsmotors 10 ermöglicht wird, ohne dass Ammoniak direkt in hohem Maße oxidiert wird.Through the in 1 illustrated exhaust aftertreatment system 20 for an internal combustion engine 10 is a multiple dosage of reducing agent 92 in the exhaust system 22 possible. It is provided, the reducing agent 92 in cold combustion engine 10 close to the engine close to the outlet 16 of the internal combustion engine 10 and with the engine-related first SCR catalyst 26 to convert harmful nitrogen oxides into non-toxic molecular nitrogen and water vapor. Remote engine is the second metering valve 34 arranged in such a way that the exhaust gas temperatures by the distance to the outlet 14 of the internal combustion engine 10 are lower and thus a conversion for medium to high loads of the internal combustion engine 10 is allowed without oxidizing ammonia directly to a high degree.

In 2 ist eine weitere Darstellung des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 20 dargestellt. Dabei ist das Heizelement 36 als Heizscheibe 56 ausgebildet, welche eingangsseitig an dem ersten motornahen Katalysator 24 angeordnet ist. Der motornahe erste Katalysator 24 ist dabei vorzugsweise als NOX-Speicherkatalysator 40 ausgeführt. Stromabwärts des ersten Dosierventils 32 und stromaufwärts des motornahen ersten SCR-Katalysators 26 ist in der Abgasanlage 22 ein erster Abgasmischer 46 angeordnet. Stromabwärts des zweiten Dosierventils 34 und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 30 ist in der Abgasanlage ein zweiter Abgasmischer 48 angeordnet. Dem zweiten SCR-Katalysator 30 ist ein Ammoniak-Sperrkatalysator 52 nachgeschaltet, um zu verhindern, dass in dem zweiten SCR-Katalysator 30 nicht umgesetztes Ammoniak als Schadstoffemission in die Umwelt gelangt.In 2 is a further illustration of the exhaust aftertreatment system according to the invention 20 shown. Here is the heating element 36 as a heating disk 56 formed, which on the input side the first close-coupled catalyst 24 is arranged. The close-coupled first catalyst 24 is preferably designed as a NO x storage catalytic converter 40. Downstream of the first metering valve 32 and upstream of the first SCR catalyst near the engine 26 is in the exhaust system 22 a first exhaust gas mixer 46 arranged. Downstream of the second metering valve 34 and upstream of the second SCR catalyst 30 is a second exhaust gas mixer in the exhaust system 48 arranged. The second SCR catalyst 30 is an ammonia blocking catalyst 52 downstream to prevent in the second SCR catalyst 30 unreacted ammonia enters the environment as a pollutant emission.

Alternativ kann die Heizscheibe 56 auch wie in 3 dargestellt in eine Mittenposition oder ausgangsseitig des motornahen ersten Katalysators 24 angeordnet sein. Ist die Heizscheibe 56 ausgangsseitig des motornahen ersten Katalysators 24 angeordnet, so kann sie zusätzlich zur Unterstützung der Verdampfung des Reduktionsmittels 92 genutzt werden, wenn das erste Dosierventil 32 entsprechend gegen die Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgaskanal 50 auf die Heizscheibe 56 orientiert ist.Alternatively, the heating disk 56 also like in 3 shown in a center position or output side of the motor near the first catalyst 24 be arranged. Is the heating disk 56 on the output side of the first catalytic converter close to the engine 24 arranged, it may additionally support the evaporation of the reducing agent 92 be used when the first metering valve 32 corresponding to the flow direction of the exhaust gas through the exhaust passage 50 on the heating disk 56 is oriented.

Optional ist wie in 4 dargestellt eine zusätzliche elektrische Beheizung des Partikelfilters 42 mit der Beschichtung 44 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden vorgesehen. Dabei kann die Energie über eine zweite Heizscheibe 58, welche vorzugsweise eingangsseitig des Partikelfilters 42 angeordnet ist, oder über ein elektrisch direkt beheizbares Substrat des Partikelfilters 42 eingebracht werden. Alternativ kann bei einer elektrischen Beheizung des Partikelfilters 42 auch eine elektrische Beheizung des motornahen ersten Katalysators 24 entfallen. Die elektrische Versorgung der Heizelemente 36 erfolgt vorzugsweise über ein 12 Volt-, 24 Volt- oder 48 Volt-Bordnetz eines Kraftfahrzeuges.Optional is as in 4 illustrated an additional electrical heating of the particulate filter 42 with the coating 44 intended for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides. The energy can be transferred via a second heating disk 58 , which preferably the input side of the particulate filter 42 is arranged, or via an electrically directly heatable substrate of the particulate filter 42 be introduced. Alternatively, in an electric heating of the particulate filter 42 also an electrical heating of the motor near the first catalyst 24 omitted. The electrical supply of the heating elements 36 is preferably done via a 12 volt, 24 volt or 48 volt electrical system of a motor vehicle.

In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für den motornahen ersten SCR-Katalysator 30 dargestellt. Dabei ist der SCR-Katalysator 26 als Partikelfilter 42 mit einer Beschichtung 44 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ausgeführt, welchem eingangsseitig eine SCR-Katalysatorscheibe 62 vorgeschaltet ist. Alternativ kann in diesem Ausführungsbeispiel auch die Beschichtung 44 des Partikelfilters 42 entfallen, wobei in diesem Fall die Konvertierung der Stickoxid-Emissionen ausschließlich durch die SCR-Katalysatorscheibe 62 erfolgt.In 5 is another embodiment of the close-coupled first SCR catalyst 30 shown. Here is the SCR catalyst 26 as a particle filter 42 with a coating 44 designed for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides, which on the input side an SCR catalyst disk 62 upstream. Alternatively, in this embodiment, the coating 44 of the particulate filter 42 In this case, the conversion of nitrogen oxide emissions exclusively by the SCR catalyst disc 62 he follows.

In 6 sind zwei Ausführungsbeispiele für den zweiten SCR-Katalysator 30 dargestellt. Dabei ist der katalytisch wirksamen Struktur zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden jeweils ein Ammoniak-Sperrkatalysator 52 nachgeschaltet. Der zweite SCR-Katalysator 30 kann sowohl einstückig, als auch in einer Zwei-Brick-Variante mit einem ersten Katalysatorelement 66 und einem zweiten Katalysatorelement 68 ausgeführt werden. Dabei ist das erste Katalysatorelement 66 als reiner SCR-Katalysator ausgeführt, während das zweite Katalysatorelement 68 als Ammoniak-Sperrkatalysator 52 oder als SCR-Katalysator mit nachgeschaltetem Ammoniak-Sperrkatalysator 52 ausgeführt ist. In beiden Fällen ist eine Beheizung des zweiten SCR-Katalysators 30 über eine dritte Heizscheibe 64 möglich, welche in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 eingangsseitig des zweiten SCR-Katalysators 30 angeordnet ist.In 6 are two embodiments for the second SCR catalyst 30 shown. In this case, the catalytically active structure for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides is in each case an ammonia blocking catalyst 52 downstream. The second SCR catalyst 30 can be both one-piece, as well as in a two-brick variant with a first catalyst element 66 and a second catalyst element 68 be executed. In this case, the first catalyst element 66 as a pure SCR catalyst, while the second catalyst element 68 as ammonia blocking catalyst 52 or as SCR catalyst with downstream ammonia blocking catalyst 52 is executed. In both cases, a heating of the second SCR catalyst 30 over a third heating disk 64 possible, which in the flow direction of an exhaust gas of the internal combustion engine 10 on the input side of the second SCR catalyst 30 is arranged.

Nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 wird zunächst der motornahe NOX-Speicherkatalysator 40 elektrisch beheizt, um eine erste Schwellentemperatur Ts1 zu erreichen, ab der eine Einlagerung von Stickoxiden in dem NOX-Speicherkatalysator 40 möglich ist. Diese Temperatur liegt bei bekannten NOX-Speicherkatalysatoren 40 bei etwa 100°C. Alternativ ist es auch möglich, den NOX-Speicherkatalysator bereits vor dem Start des Verbrennungsmotors 10 elektrisch zu beheizen, um die Zeit bis zum Erreichen seiner Betriebstemperatur weiter zu verkürzen. Hat der NOX-Speicherkatalysator 40 diese erste Schwellentemperatur Ts1 erreicht, so erfolgt ein weiteres Aufheizen der Abgasnachbehandlung, was sowohl durch das elektrische Heizelement 36 als auch durch den Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 erfolgt. Dabei werden die bei der Verbrennung entstehenden Stickoxid-Emissionen in dem NOX-Speicherkatalysator 40 eingelagert. Zusätzlich können auch die weiteren Abgasnachbehandlungskomponenten, insbesondere die SCR-Katalysatoren 26, 30 durch zusätzliche Heizscheiben 58, 64 elektrisch beheizt werden. Hat zumindest einer der SCR-Katalysatoren eine Light-Off-Temperatur erreicht, so erfolgt eine Eindosierung von Reduktionsmittel 92 durch das dem jeweiligen SCR-Katalysator 26, 30 zugeordnete Dosierelement. Da der erste SCR-Katalysator motornäher angeordnet ist, ist zu erwarten, dass dieser zuerst seine Betriebstemperatur erreicht. Übersteigt die Abgastemperatur eine zweite Schwellentemperatur TS2, beispielsweise durch einen Hochlastbetrieb oder durch eine Regeneration des Partikelfilters 42, so wird von dem motornahen ersten Dosierventil 32 auf das motorferne zweite Dosierventil 34 umgeschaltet, um eine Oxidation von Ammoniak und eine damit verringerte Leistungsfähigkeit des SCR-Katalysators 26 zu vermeiden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, dass in jeder Betriebssituation die Schadstoffe des Verbrennungsmotors effektiv vermindert werden können, wodurch sowohl in einer Kaltstartphase als auch im Hochlastbetrieb eine effiziente Verringerung der Stickoxid-Emissionen möglich ist.After a cold start of the internal combustion engine 10 First, the close-coupled NO x storage catalyst 40 is electrically heated to achieve a first threshold temperature T s1 , from which a storage of nitrogen oxides in the NO x storage catalyst 40 is possible. This temperature is in known NO x storage catalysts 40 at about 100 ° C. Alternatively, it is also possible for the NO x storage catalytic converter before the start of the internal combustion engine 10 electrically to further reduce the time to reach its operating temperature. If the NO x storage catalytic converter 40 has reached this first threshold temperature T s1 , then further heating of the exhaust gas aftertreatment takes place, which is achieved both by the electric heating element 36 as well as the exhaust gas flow of the internal combustion engine 10 he follows. The resulting during combustion nitrogen oxide emissions are stored in the NO x storage 40. In addition, the other exhaust aftertreatment components, in particular the SCR catalysts 26 . 30 by additional heating disks 58 . 64 be electrically heated. If at least one of the SCR catalysts has reached a light-off temperature, reducing agent is metered in 92 through the respective SCR catalyst 26 . 30 associated dosing. Because the first SCR catalyst is located closer to the engine, it is expected to first reach its operating temperature. Exceeds the exhaust gas temperature a second threshold temperature T S2 , for example, by a high-load operation or by a regeneration of the particulate filter 42 , so is the first metering valve near the motor 32 on the motor remote second metering valve 34 switched to an oxidation of ammonia and thus reduced performance of the SCR catalyst 26 to avoid. The inventive method, it is possible that in any operating situation, the pollutants of the engine can be effectively reduced, whereby both in a cold start phase and in high load operation, an efficient reduction of nitrogen oxide emissions is possible.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Verbrennungsmotorinternal combustion engine
1212
Brennraumcombustion chamber
1414
Einlassinlet
1616
Auslassoutlet
1818
Abgasturbolader turbocharger
2020
Abgasnachbehandlungssystemaftertreatment system
2222
Abgasanlageexhaust system
2424
motornaher, erster Katalysatorclose to the engine, first catalyst
2626
erster SCR-Katalysatorfirst SCR catalyst
2828
Turbine turbine
3030
zweiter SCR-Katalysatorsecond SCR catalyst
3232
erstes Dosierventilfirst metering valve
3434
zweites Dosierventilsecond metering valve
3636
Heizelementheating element
3838
Oxidationskatalysator oxidation catalyst
4040
NOX-SpeicherkatalysatorNO X storage catalyst
4242
Partikelfilterparticulate Filter
4444
Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von StickoxidenCoating for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides
4646
erster Abgasmischerfirst exhaust mixer
4848
zweiter Abgasmischer second exhaust mixer
5050
Abgaskanalexhaust duct
5252
Ammoniak-SperrkatalysatorAmmonia slip catalyst
5454
passiver NOX-Adsorberpassive NO x adsorber
5656
Heizscheibeheated window
5858
zweite Heizscheibe second heating disk
6060
direkt beheizbares Substratdirectly heatable substrate
6262
SCR-KatalysatorscheibeSCR catalyst disk
6464
dritte Heizscheibethird heating disk
6666
erstes Katalysatorelementfirst catalyst element
6868
zweites Katalysatorelement second catalyst element
7070
Ansaugtraktintake system
7272
Verdichtercompressor
7474
Ansaugkanalintake port
7676
LadeluftkühlerIntercooler
7878
Einmündung junction
8080
Niederdruck-AbgasrückführungLow-pressure exhaust gas recirculation
8282
AbgasrückführungskanalExhaust gas recirculation passage
8484
Verzweigungbranch
8686
AbgasrückführungskühlerExhaust gas recirculation cooler
8888
Abgasrückführungsventil Exhaust gas recirculation valve
9090
Steuergerätcontrol unit
9292
Reduktionsmittelreducing agent
9494
Abgasklappeexhaust flap

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (10)

Abgasnachbehandlungssystem (20) für einen Verbrennungsmotor (10) mit einer Abgasanlage (22), in welcher in Strömungsrichtung eines Abgases durch die Abgasanlage (22) ein motornaher erster Katalysator (24), stromabwärts dieses motornahen ersten Katalysators (24) ein erster SCR-Katalysator (26) und weiter stromabwärts ein zweiter SCR-Katalysator (30) angeordnet sind, wobei dem ersten SCR-Katalysator (26) ein erstes Dosiermodul (32) und dem zweiten SCR-Katalysator (30) ein zweites Dosiermodul (34) zur Eindosierung eines Reduktionsmittels (92) in die Abgasanlage (22) zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der motornahe erste Katalysator (24) und/oder zumindest einer der SCR-Katalysatoren (26, 30) ein elektrisches Heizelement (36, 56, 58, 64) aufweist.Exhaust gas aftertreatment system (20) for an internal combustion engine (10) with an exhaust system (22), in which in the flow direction of an exhaust gas through the exhaust system (22) a close-coupled first catalyst (24), downstream of this close-coupled first catalyst (24), a first SCR catalyst (26) and further downstream, a second SCR catalyst (30) are arranged, wherein the first SCR catalyst (26) a first metering module (32) and the second SCR catalyst (30) a second metering module (34) for metering a Reductant (92) are associated with the exhaust system (22), characterized in that the close-coupled first catalyst (24) and / or at least one of the SCR catalysts (26, 30) an electric heating element (36, 56, 58, 64) having. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der motornahe erste Katalysator (24) als Oxidationskatalysator (38), NOX-Speicherkatalysator (40) oder passiver NOX-Adsorber (54) ausgeführt ist.Exhaust after-treatment system (20) according to Claim 1 , characterized in that the close-coupled first catalyst (24) as an oxidation catalyst (38), NO x storage catalyst (40) or passive NO x adsorber (54) is executed. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der motornahe erste Katalysator (24) ein Heizelement (36) in Form einer Heizscheibe (56) aufweist, welche mit der katalytisch wirksamen Struktur des ersten Katalysators (24) verbunden ist.Exhaust after-treatment system (20) according to Claim 2 , characterized in that the close-coupled first catalyst (24) has a heating element (36) in the form of a heating disk (56), which is connected to the catalytically active structure of the first catalyst (24). Abgasnachbehandlungssystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der motornahe erste Katalysator (24) als passiver NOX-Adsorber (54) ausgeführt ist, wobei das Heizelement (36) ausgangsseitig des NOX-Adsorbers (54) angeordnet ist.Exhaust after-treatment system (20) according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that the close-coupled first catalyst (24) is designed as a passive NO x adsorber (54), wherein the heating element (36) is arranged on the output side of the NO x adsorber (54). Abgasnachbehandlungssystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste SCR-Katalysator (26) als Partikelfilter (42) mit einer Beschichtung (44) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ausgeführt ist.Exhaust after-treatment system (20) according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the first SCR catalyst (26) is designed as a particle filter (42) with a coating (44) for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (42) eine elektrische Heizscheibe (58) oder ein direkt elektrisch beheizbares Substrat (60) aufweist.Exhaust after-treatment system (20) according to Claim 5 , characterized in that the particle filter (42) has an electric heating disk (58) or a directly electrically heatable substrate (60). Abgasnachbehandlungssystem (20) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (42) eine SCR-Katalysatorscheibe (62) umfasst, welche dem Filterkörper des Partikelfilters (42) vorgeschaltet ist.Exhaust after-treatment system (20) according to Claim 5 or 6 , characterized in that the particulate filter (42) comprises an SCR catalyst disc (62), which is connected upstream of the filter body of the particulate filter (42). Abgasnachbehandlungssystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite SCR-Katalysator (30) einen Ammoniak-Sperrkatalysator (52) umfasst, welcher dem Katalysatorkörper des SCR-Katalysators (30) nachgeschaltet ist.Exhaust after-treatment system (20) according to one of Claims 1 to 7 , characterized in that the second SCR catalyst (30) comprises an ammonia blocking catalyst (52), which is connected downstream of the catalyst body of the SCR catalyst (30). Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) mit einem Abgasnachbehandlungssystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der motornahe erste Katalysator (24) und/oder einer der SCR-Katalysatoren (26, 30) ab einem Motorstart des Verbrennungsmotors (10) beheizt werden.A method for exhaust aftertreatment of an internal combustion engine (10) with an exhaust aftertreatment system (20) according to one of Claims 1 to 8th , characterized in that the close-coupled first catalytic converter (24) and / or one of the SCR catalysts (26, 30) from an engine start of the internal combustion engine (10) are heated. Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der motornahe, erste Katalysator (24) als ein elektrisch beheizbarer NOX-Speicherkatalysator (40) ausgebildet ist, wobei der NOX-Speicherkatalysator (40) solange elektrisch beheizt wird, bis der NOX-Speicherkatalysator (40) eine Schwellentemperatur (Ts) erreicht hat, ab der eine effiziente Zwischenspeicherung von Stickoxiden in dem NOX-Speicherkatalysator (40) möglich ist.Process for exhaust aftertreatment after Claim 9 , characterized in that the close-coupled, first catalyst (24) is designed as an electrically heatable NO x storage catalytic converter (40), wherein the NO x storage catalytic converter (40) is electrically heated until the NO x storage catalytic converter (40) has reached a threshold temperature (T s ), from which an efficient intermediate storage of nitrogen oxides in the NO x storage catalytic converter (40) is possible.
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