DE102018102111A1

DE102018102111A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102018102111A1
Application number: DE102018102111.9A
Authority: DE
Inventors: Aiko Mork; Christian Klüting; Christian Heimermann; Marcel Wiegel
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2018-01-31
Publication date: 2019-08-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10), wobei in einer Abgasanlage (40) des Verbrennungsmotors (10) ein erster, motornaher SCR-Katalysator (48) und ein zweiter, motorferner SCR-Katalysator (54) angeordnet sind. Dabei ist jedem der SCR-Katalysatoren (48, 54) ein Dosiermodul (46, 52) zugeordnet, mit dem ein Reduktionsmittel (72) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere wässrige Harnstofflösung, in die Abgasanlage (40) jeweils stromaufwärts des jeweiligen SCR-Katalysators (48, 54) eindosiert werden kann. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Kühlluftleitung (34), welche den Ansaugtrakt (20) stromabwärts eines Verdichter (24) mit der Abgasanlage (40) stromabwärts eines Auslasses (14) des Verbrennungsmotors (10) verbindet. Es ist vorgesehen, dass zur Reduzierung der Temperatur in der Abgasanlage (40) stromaufwärts zumindest eines der SCR-Katalysatoren (48, 54) Kühlluft in den Abgaskanal (40) eingeblasen wird, um zumindest einen der SCR-Katalysatoren (48, 54) in einem zur Konvertierung optimalen Temperaturfenster von 300°C bis 450°C zu betreiben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors. 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 oder HC-Adsorber. 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, insbesondere einen NO_x-Speicherkatalysator, 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 Rußpartikelfilter oftmals in einer motorfernen Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges angeordnet. Es sind motornahe SCR-Systeme bekannt, bei denen ein SCR-Katalysator und ein Rußpartikelfilter über einen Trichter verbunden sind. Durch die Trichtergeometrie wird versucht, den Gegendruck im Abgaskanal zu reduzieren, wodurch jedoch vergleichsweise viel Bauraum benötigt wird oder die Katalysatoren und/oder der Partikelfilter entsprechend kleinvolumig ausgeführt werden müssen, was eine häufigere Regeneration des Partikelfilters erfordert und was den Wirkungsgrad der Abgasreinigung aufgrund des kleineren Volumens begrenzt. Ferner werden zur Abgasreinigung sogenannte NO_x-Speicherkatalysatoren verwendet, um die bei der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in den Brennräumen des Verbrennungsmotors entstehenden Stickoxide aufzunehmen. Diese NO_x-Speicherkatalysatoren müssen jedoch periodisch durch einen unterstöchiometrischen Betrieb regeneriert werden, was zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch führt. Ein weiterer Nachteil von NO_x-Speicherkatalysatoren ist, dass bei hohen Abgastemperaturen keine Stickoxide in dem NO_x-Speicherkatalysator eingelagert werden können und ein NO_x-Speicherkatalysator bei hohen Temperaturen wirkungslos wird. Zudem sind NO_x-Speicherkatalysatoren alterungsanfällig, sodass die Speicherkapazität mit der Lebenszeit des NO_x-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.
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 bei einer Überdosierung 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.
Aus der DE 10 2015 000 955 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit einer Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung bekannt. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung umfasst einen ersten, motornahen SCR-Katalysator und einen zweiten, stromabwärts des ersten SCR-Katalysators angeordneten SCR-Katalysator, wobei beiden SCR-Katalysatoren jeweils ein Dosierelement zur Eindosierung von wässriger Harnstofflösung zugeordnet ist. Nachteilig an einer solchen Lösung ist jedoch, dass in speziellen Betriebszuständen, insbesondere bei einem Hochlastbetrieb oder bei einer Regeneration des Partikelfilters die Abgastemperatur derart ansteigen kann, dass keiner der SCR-Katalysatoren in einem Temperaturbereich betrieben werden kann, in dem eine effiziente Umsetzung von Stickoxiden möglich ist. Vielmehr kann es bei einer hohen Abgastemperatur zu einer thermischen Zersetzung der wässrigen Harnstofflösung kommen, sodass an den SCR-Katalysatoren kein oder nur unzureichend viel Reduktionsmittel zur Reduktion der Stickoxidemissionen vorliegt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines selbstzündenden Verbrennungsmotors nach dem Diesel-Prinzip, derart weiterzubilden, dass eine hocheffiziente Reduzierung von Stickoxiden über den gesamten Lastbereich des Verbrennungsmotors möglich ist und die Stickoxid-Emissionen somit weiter verringert werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines mittels eines Abgasturboladers aufgeladenen Verbrennungsmotors, welcher mit seinem Einlass mit einem Ansaugtrakt verbunden ist, und welcher mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist, gelöst. Dabei ist in der Abgasanlage in einer motornahen Position ein erster SCR-Katalysator angeordnet, welchem ein erstes Dosiermodul zur Eindosierung eines für die selektive, katalytische Reduktion von Stickoxiden notwendigen Reduktionsmittels zugeordnet ist. Ferner ist in der Abgasanlage in einer motorfernen Position stromabwärts des ersten SCR-Katalysators ein zweiter SCR-Katalysator angeordnet, dem ein zweites Dosiermodul zugeordnet ist. Erfindungsgemäß zweigt stromabwärts eines im Ansaugtrakt angeordneten Verdichters des Abgasturboladers eine Kühlluftleitung aus einem Ansaugkanal des Ansaugtraktes ab, welche den Ansaugkanal mit einem Abgaskanal der Abgasanlage stromabwärts des Auslasses und stromaufwärts zumindest eines SCR-Katalysators verbindet. 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. Durch die Kühlluftleitung kann dem heißen Abgas vergleichsweise kalte Kühlluft zugemischt werden, sodass es auch bei hoher Motorlast oder beim Aufheizen oder Regenerieren des Partikelfilters möglich ist, mindestens einen der SCR-Katalysatoren in einem Temperaturfenster zu betreiben, um eine effiziente Reduktion der Stickoxide zu ermöglichen. Dabei ist die Kühlluft so in die Abgasanlage einzubringen, dass sie sich hinreichend gut mit dem Abgas des Verbrennungsmotors bis zum Eintritt in den SCR-Katalysator vermischt, um einen lokalen Abbrand von Ammoniak oder eine schlechte Verdunstung des Reduktionsmittels zu vermeiden. Ferner kann es möglich sein, auf einen zusätzlichen NO_x-Speicherkatalysator in der Abgasanlage zu verzichten, da stets einer der SCR-Katalysatoren in dem zur Reduktion von Stickoxiden notwendigen Temperaturfenster betrieben wird. Die Dosiersysteme können sowohl als luftunterstützte Dosiersysteme ausgeführt werden, bei denen eine Zerstäubung des Reduktionsmittels mithilfe von Druckluft erfolgt, als auch durch eine Druckzerstäubung, bei welcher der Druckunterschied zwischen dem Druck im Dosiermodul und dem Druck in der Abgasanlage zur Zerstäubung des Reduktionsmittels genutzt wird. Die Erfindung ist insbesondere für selbstzündende Verbrennungsmotoren nach dem Dieselprinzip vorgesehen, kann aber prinzipiell auch für fremdgezündete Verbrennungsmotoren nach dem Ottoprinzip genutzt werden.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterbildungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung möglich.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühlluftleitung stromabwärts eines Ladeluftkühlers aus dem Ansaugkanal abzweigt. Durch den Ladeluftkühler ist eine Temperaturreduzierung der verdichteten Ansaugluft möglich, wodurch bei gleichem Volumenstrom eine höhere Kühlwirkung beim Vermischen der Kühlluft mit dem Abgas erreicht wird. Dadurch kann entweder bei einem geringeren Volumenstrom eine gleich starke Kühlwirkung erzielt werden oder die maximale Kühlleistung für den Abgasstrom erhöht werden.
In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühlluft stromabwärts einer Turbine des Abgasturboladers in die Abgasanlage einmündet. Dadurch ist stets ein ausreichendes Druckgefälle zwischen dem Ansaugtrakt und der Abgasanlage vorhanden, sodass es nicht zu einem unerwünschten Rückströmen von Abgas durch die Kühlluftleitung in den Ansaugtrakt kommt. Ferner setzt die Kühlwirkung schneller ein, da nicht zusätzlich die heißen Komponenten des Abgasturboladers mit der Kühlluft gekühlt werden müssen und somit eine Temperaturabsenkung des Abgasstroms unmittelbar vor Eintritt in den SCR-Katalysator möglich ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Kühlluftleitung an einer Einleitstelle stromabwärts des ersten SCR-Katalysators und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators in die Abgasanlage einmündet. Da eine Kühlung des Abgasstroms insbesondere bei einem Hochlastbetrieb oder einer Aufheizung beziehungsweise Regeneration des Partikelfilters notwendig ist, ist es vorteilhaft, die Kühlluft stromabwärts des ersten SCR-Katalysators und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators einzuleiten. Da der erste SCR-Katalysator motornah angeordnet ist, wird dieser in der Regel von heißerem Abgas durchströmt als der zweite SCR-Katalysator. Übersteigt die Abgastemperatur auch am zweiten SCR-Katalysator das Temperaturfenster, in dem eine effiziente Konvertierung von Stickoxiden möglich ist, so wird hier in der Regel eine geringere Kühlleistung gebraucht, um den zweiten SCR-Katalysator wieder in das Temperaturfenster zu bringen, als dies für den ersten SCR-Katalysator bei gleichen Betriebsbedingungen nötig wäre. Ist der erste SCR-Katalysator als Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ausgeführt, ist zudem eine effiziente Konvertierung von Stickoxiden auch während der Regeneration des Partikelfilters möglich. Dabei liegt die Temperatur des Partikelfilters vorzugsweise oberhalb von 600°C, sodass während der Regeneration keine effiziente Konvertierung von Stickoxiden durch die Beschichtung des Partikelfilters möglich ist. Dabei wird vorzugsweise ausschließlich Reduktionsmittel durch das zweite Dosiermodul eingespritzt, wodurch eine Oxidation des aus dem Reduktionsmittel gewonnenen Ammoniaks vor Eintritt in den zweiten SCR-Katalysator vermieden wird.
In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Abgasanlage stromabwärts der Einleitstelle und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators ein Wärmetauscher zur Reduzierung der Abgastemperatur vor Eintritt in den zweiten SCR-Katalysator angeordnet ist. Durch einen zusätzlichen Wärmetauscher kann die Abgastemperatur vor Eintritt in den zweiten SCR-Katalysator weiter abgesenkt werden, sodass das Temperaturfenster zur effizienten Konvertierung von Stickoxiden auf dem zweiten SCR-Katalysator bei allen Betriebsbedingungen erreicht wird. Dabei kann der Wärmetauscher sowohl als luftgekühlter Wärmetauscher als auch als flüssigkeitsgekühlter Wärmetauscher ausgeführt werden. Vorteilhaft an einem luftgekühlten Wärmetauscher ist eine vergleichsweise leichte und kostengünstige Ausführung, wobei der Abgasstrom durch den Fahrtwind gekühlt wird. Alternativ kann der Wärmetauscher durch eine Flüssigkeit, insbesondere durch den Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors, gekühlt werden. Ein solcher Wärmetauscher ist mit einem entsprechenden Mehrgewicht verbunden, weist aber eine nochmals erhöhte Kühlleistung auf und kann unabhängig von der Fahrgeschwindigkeit genutzt werden.
In einer vorteilhaften Verbesserung ist vorgesehen, dass ein schaltbarer Bypass um den Wärmetauscher vorgesehen ist, sodass der Abgasstrom des Verbrennungsmotors in Abhängigkeit von der Abgastemperatur durch den Wärmetauscher oder an diesem vorbei geführt wird. Durch die Möglichkeit, den Wärmetauscher aus dem Abgaskanal zu entkoppeln, kann der zweite SCR-Katalysator schneller aufgeheizt werden, um diesen nach einem Kaltstart oder einer Schwachlastphase wieder in den zur Konvertierung von Schadstoffen notwendigen Temperaturbereich zu bringen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung ist vorgesehen, dass der erste SCR-Katalysator in der Abgasanlage stromaufwärts einer Verzweigungsstelle, an der eine Niederdruck-Abgasrückführung aus der Abgasanlage abzweigt, angeordnet ist und der zweite SCR-Katalysator stromabwärts der Verzweigungsstelle angeordnet ist. Dadurch können die SCR-Katalysatoren entsprechend weit voneinander angeordnet werden, sodass die Temperaturen am ersten SCR-Katalysator deutlich oberhalb der Temperaturen am zweiten SCR-Katalysator liegen. Somit kann der Einsatzbereich, in dem wenigstens einer der SCR-Katalysatoren in einem Temperaturfenster zur effizienten Konvertierung von Stickoxiden betrieben wird, vergrößert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest einer der SCR-Katalysatoren als ein Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ausgeführt ist. Um neben der effizienten Konvertierung von Stickoxiden Rußpartikel aus dem Abgas zu entfernen, ist neben der Verwendung mehrerer SCR-Katalysatoren der Einsatz eines Partikelfilters notwendig. Um den Bauraumbedarf bei zwei oder mehr SCR-Katalysatoren und einem Partikelfilter in Grenzen zu halten, ist es sinnvoll, mindestens einen SCR-Katalysator, vorzugsweise einen motornahen SCR-Katalysator, als Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden auszubilden, um nicht noch ein weiteres Bauteil in die Abgasanlage integrieren zu müssen. Eine motornahe Positionierung des Partikelfilters mit der SCR-Beschichtung ist sinnvoll, da die Temperatur zur Regeneration des im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußes oberhalb der Temperatur für eine maximal effiziente Reduktion der Stickoxid-Emissionen liegt und daher zum Aufheizen des Partikelfilters eine motornahe Position günstiger ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung ist vorgesehen, dass in der Abgasanlage zusätzlich zu den SCR-Katalysatoren ein weiterer Katalysator angeordnet ist. Dies ist bei einem Ottomotor vorzugsweise ein Drei-Wege-Katalysator oder ein Vier-Wege-Katalysator. Bevorzugt ist dabei, dass der Verbrennungsmotor als selbstzündender Verbrennungsmotor nach dem Diesel-Prinzip ausgebildet ist und der weitere Katalysator als NO_x-Speicherkatalysator, als Diesel-Oxidationskatalysator oder als Ammoniak-Sperrkatalysator ausgeführt ist. Durch einen Diesel-Oxidationskatalysator können unverbrannte Kohlenwasserstoffe oder andere unverbrannte oder teilverbrannte Verbrennungsprodukte des Verbrennungsmotors im Abgaskanal umgesetzt werden und somit eine effiziente Abgasnachbehandlung gewährleistet werden. Ein NO_x-Speicherkatalysator kann zusätzlich bei Temperaturen, welche unterhalb der Temperaturen zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden liegen, die bei der Verbrennung auftretenden Stickoxide temporär einlagern und somit die Wirksamkeit der Abgasnachbehandlungseinrichtung weiter verbessern. Durch einen Ammoniak-Sperrkatalysator kann bei einer Überdosierung von Reduktionsmittel verhindert werden, dass es zu erhöhten Ammoniak-Emissionen durch nicht umgesetztes Reduktionsmittel kommt.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Diesel-Oxidationskatalysator oder der NO_x-Speicherkatalysator in der Abgasanlage stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators angeordnet ist. Durch eine Anordnung in einer motornahen Position stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators wird nach einem Kaltstart ein schnelles Aufwärmen des Diesel-Oxidationskatalysators auf eine Betriebstemperatur erleichtert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Dosiermodul stromabwärts eines motornahen Diesel-Oxidationskatalysators oder eines motornahen NO_x-Speicherkatalysators angeordnet ist und das zweite Dosiermodul in der Abgasanlage stromabwärts der Verzweigungsstelle angeordnet ist. Dadurch kann das Reduktionsmittel an unterschiedlichen heißen Abschnitten der Abgasanlage eindosiert werden, sodass die Gefahr einer thermischen Zersetzung, insbesondere einer Oxidation von Ammoniak, reduziert werden kann. Ferner kann durch die Anordnung des zweiten Dosiermoduls stromabwärts der Verzweigungsstelle für die Niederdruckabgasrückführung die Gefahr eliminiert werden, dass Reduktionsmittel in die Abgasleitung der Niederdruckabgasrückführung eindringt und dort zu einer Versottung der Abgasleitung oder zu Ablagerungen an einem in der Niederdruckabgasrückführung angeordneten Abgasrückführungsventil kommt.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ein Fördermodul vorgesehen, welches fluidisch mit einem Reduktionsmitteltank verbunden ist, wobei das Fördermodul eingerichtet ist, um mindestens zwei Dosiermodule mit Reduktionsmittel zu versorgen. Um das Reduktionsmittel zu den Dosiermodulen zu fördern, sind ein oder mehrere Fördermodule notwendig, welche das Reduktionsmittel aus einem Reduktionsmitteltank dem entsprechenden Dosiermodul bereitstellen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Dosiermodule von einem gemeinsamen Fördermodul mit Reduktionsmittel versorgt werden. Dadurch können weitere Fördermodule entfallen. Das Fördermodul ist vorzugsweise druckgeregelt, um eine gleichzeitige Ansteuerung von mehreren Dosiermodulen zu ermöglichen. Vorzugsweise werden die Dosiermodule getrennt voneinander angesteuert, sodass jeweils nur durch eines der Dosiermodule Reduktionsmittel in die Abgasanlage eingebracht wird, um bei einer volumetrischen Förderung des Fördermoduls Druckeinbrüche zu vermeiden. An dem Fördermodul und/oder an dem Reduktionsmitteltank ist darüber hinaus vorzugsweise eine Heizung vorgesehen, um ein Einfrieren des Reduktionsmittels zu verhindern, beziehungsweise nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors bei kalten Umgebungsbedingungen für ein schnelles Auftauen des Reduktionsmittels zu sorgen und somit auch bei niedrigen Außentemperaturen eine effiziente Abgasnachbehandlung zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem Ansaugtrakt und einer Abgasanlage, in der in einer motornahen Position ein erster SCR-Katalysator angeordnet ist, welchem ein erstes Dosiermodul zur Eindosierung eines für die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden notwendigen Reduktionsmittels zugeordnet ist, und in der in einer motorfernen Position stromabwärts des ersten SCR-Katalysators ein zweiter SCR-Katalysator angeordnet ist, dem ein zweites Dosiermodul zugeordnet ist, wobei eine Kühlluftleitung den Ansaugtrakt stromabwärts eines Verdichters mit der Abgasanlage stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors verbindet, vorgeschlagen, welches folgende Schritte umfasst:

- Ermitteln oder Berechnen mindestens einer Temperatur in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors,
- Einleiten von Kühlluft in die Abgasanlage über die Kühlluftleitung, falls die Abgastemperatur einen Schwellenwert übersteigt, wobei
- die Abgastemperatur vor Eintritt in einen SCR-Katalysator abgesenkt wird, sodass mindestens einer der SCR-Katalysatoren in einem für die Konvertierung von Stickoxiden optimalen Temperaturbereich betrieben wird.

Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht eine Dosierstrategie, mit der eine bestmögliche Konvertierung von Stickoxid-Emissionen ermöglicht wird und welche auf eine Mehrfachdosierung von Reduktionsmittel ideal ausgelegt wird. Die Dosierstrategie kann dabei in Abhängigkeit einer Pumpe des Fördermoduls ausgelegt werden. Bei volumetrisch fördernden Systemen wird vorzugsweise eine sequenzielle Ansteuerung der Dosiermodule gewählt, um Druckeinbrüche bei der Reduktionsmittelversorgung zu verhindern. Sofern die Pumpenleistung des Fördermoduls groß genug und der hydraulische Querschnitt der Ventile der Dosiermodule ausreichend ist, kann auch mit einer sequenziellen Strategie eine hinreichende Menge Reduktionsmittel in die Abgasanlage eingebracht werden. Bei einem druckgeregelten Fördermodul ist eine parallele Eindosierung von Reduktionsmittel durch mehrere Dosierelemente möglich, sodass auch bei hohen Abgasvolumina und hohen Lastpunkten eine entsprechende Abgasreinigung optimiert werden kann. Dabei wird der Abgasstrom durch die über die Kühlluftleitung zugeführte Kühlluft derart abgekühlt, dass zumindest einer der SCR-Katalysatoren in einem für die Konvertierung von Stickoxiden optimalen Temperaturbereich betrieben wird. Die Dosierstrategie berücksichtigt die physikalischen Bedingungen in der Abgasanlage, insbesondere die Ammoniakspeicherkapazität und das NO_x-Umsatzverhalten in Abhängigkeit von Temperatur und Abgasmassenstrom, des jeweils primär genutzten SCR-Katalysators. Dabei ist stets eine bedarfsgerechte Eindosierung von Reduktionsmittel möglich. Ferner wird die Gefahr einer Oxidation von aus dem Reduktionsmittel gebildeten Ammoniak durch die Kühlung mittels der zugeführten Kühlluft reduziert.
Gemäß einer vorteilhaften Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der erste SCR-Katalysator als Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ausgeführt ist, wobei die Kühlluft stromabwärts des ersten SCR-Katalysators in die Abgasanlage eingeleitet wird, um die Temperatur am zweiten SCR-Katalysator derart zu senken, dass der zweite SCR-Katalysator in einem optimalen Temperaturbereich von 300°C bis 450°C betrieben wird. Dadurch kann der zweite SCR-Katalysator auch im Hochlastbetrieb des Verbrennungsmotors auf eine Temperatur gebracht werden, in der eine effiziente Konvertierung von Stickoxiden durch den SCR-Katalysator möglich ist und eine Oxidation von aus dem Reduktionsmittel gewonnenen Ammoniak vermieden wird.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn während einer Heizphase und/oder einer Regenerationsphase des Partikelfilters Kühlluft stromabwärts des Partikelfilters in die Abgasanlage eingeblasen wird, um während der Heizphase und/oder während der Regenerationsphase des Partikelfilters eine effiziente Konvertierung von Stickoxiden durch den zweiten SCR-Katalysator zu ermöglichen. Da während der Heizphase und/oder während der Regenerationsphase die Abgastemperatur oberhalb des Temperaturbereichs liegt, in welchem eine effiziente Konvertierung von Stickoxiden durch einen SCR-Katalysator möglich ist, ist die Beschichtung des Partikelfilters im Wesentlichen unwirksam. Daher sollte während dieser Phase eine Konvertierung durch den zweiten SCR-Katalysator erfolgen, um auch in diesen Betriebszuständen eine effiziente Abgasnachbehandlung, insbesondere eine effiziente Reduzierung der Stickoxide, zu ermöglichen.
Weiterhin ist in vorteilhafter Verbesserung des Verfahrens vorgesehen, dass die ermittelte oder berechnete Temperatur mit einer ersten Schwellentemperatur verglichen wird, und bei einer Temperatur unterhalb der ersten Schwellentemperatur keine Kühlluft zur Kühlung des Abgasstroms in die Abgasanlage geleitet wird. Dadurch kann die Menge der dem Abgasstrom zugeführten Kühlluft minimiert werden. Ferner wird eine Kühlung des Abgasstroms vermieden, wenn die Abgastemperatur im effizienten Temperaturbereich liegt und eine Einbringung von Kühlluft kontraproduktiv wäre.
Gemäß einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass in der Abgasanlage mehrere Temperaturen ermittelt oder berechnet werden, wobei bei Überschreiten einer zweiten Schwellentemperatur die Eindosierung des Reduktionsmittels von dem motornahen Dosiermodul auf das motorferne Dosiermodul umgeschaltet wird. Wird im Betrieb des Verbrennungsmotors festgestellt, dass die Abgastemperatur und/oder die Bauteiltemperatur eines motornahen SCR-Katalysators über einen Schwellenwert ansteigt, so wird die Eindosierung von Reduktionsmittel an dem diesem motornahen SCR-Katalysator zugeordneten Dosiermodul zurückgefahren oder beendet und es erfolgt eine Eindosierung an einem in der Abgasanlage weiter stromabwärts angeordneten Dosiermodul, da die Abgastemperatur mit zunehmender Abgaslauflänge und größerem Abstand von dem Auslass des Verbrennungsmotors abnimmt. Insbesondere wird bei Überschreiten dieser zweiten Schwellentemperatur zusätzlich Kühlluft in die Abgasanlage eingeblasen, um die Temperatur am zweiten SCR-Katalysator im Temperaturbereich für eine effiziente Konvertierung von Stickoxiden zu halten.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung;
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung;
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung;
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung;
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung; und
6 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors.

1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 mit einem Ansaugtrakt 20 und einer Abgasanlage 40. Der Verbrennungsmotor 10 weist eine Mehrzahl von Brennräumen 18 auf, in denen ein Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Einlass 12 auf, welcher mit dem Ansaugtrakt 20 verbunden ist. Der Verbrennungsmotor 10 weist ferner einen Auslass 14 auf, welcher mit der Abgasanlage 40 verbunden ist. An dem Verbrennungsmotor 10 ist eine Hochdruckabgasrückführung 16 vorgesehen, welche den Auslass 14 mit dem Einlass 12 verbindet. In der Hochdruckabgasrückführung 16 ist ein Abgasrückführungsventil 108 angeordnet, mit welchem die Menge an zurückgeführtem Abgas gesteuert werden kann.
Der Ansaugtrakt 20 umfasst einen Luftfilter 22, welcher an einem Ansaugkanal 30 angeordnet ist. Stromabwärts des Luftfilters 22 ist ein Verdichter 24 eines Abgasturboladers 38 angeordnet, welcher die Kühlluft verdichtet. Weiter stromabwärts des Verdichters 24 ist in dem Ansaugkanal 30 ein Ladeluftkühler 26 vorgesehen, welcher die verdichtete Kühlluft abkühlt und somit die Füllung der Brennräume 18 weiter verbessert. Stromabwärts des Ladeluftkühlers 26 kann eine Drosselklappe 28 angeordnet werden, um die den Brennräumen 18 des Verbrennungsmotors 10 zugeführte Luftmenge zu steuern. Stromabwärts des Ladeluftkühlers 26 zweigt an einer Verzweigung 32 eine Kühlluftleitung 34 aus dem Ansaugkanal 30 ab. In der Kühlluftleitung 34 ist ein Kühlluftventil 36 angeordnet, mit welchem die durch die Kühlluftleitung 34 strömende Kühlluftmenge steuerbar ist.
Die Abgasanlage 40 weist einen Abgaskanal auf, in dem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal eine Turbine 42 des Abgasturboladers 38 und stromabwärts der Turbine 42 eine Mehrzahl von Katalysatoren 44, 48, 54, 56 angeordnet ist. Als erste Abgasnachbehandlungskomponente ist in dem Abgaskanal ein motornaher Diesel-Oxidationskatalysator 44 angeordnet, welcher einem motornahen Partikelfilter 50 mit einer Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden vorangestellt ist. Der Partikelfilter 50 mit der Beschichtung stellt einen ersten SCR-Katalysator 48 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden dar. Stromabwärts des Diesel-Oxidationskatalysators 44 und stromaufwärts des Partikelfilters 50 ist ein erstes Dosiermodul 46 zur Eindosierung eines Reduktionsmittels 72 in die Abgasanlage 40 angeordnet. Die Kühlluftleitung 34 mündet an einer Einleitstelle 60 stromabwärts der Turbine 42 des Abgasturboladers 38 und stromaufwärts des Diesel-Oxidationskatalysators 44 in die Abgasanlage 40. An der Einleitstelle 60 kann ein zusätzliches Mischelement 58 vorgesehen sein, um eine verbesserte Durchmischung des Abgasstroms und der Kühlluft zu erreichen. Stromabwärts des Partikelfilters 50 liegt eine Verzweigungsstelle 92, an der eine Niederdruck-Abgasrückführung 80 aus dem Abgaskanal der Abgasanlage 40 abzweigt. Stromabwärts der Verzweigungsstelle 92 ist im Abgaskanal eine Abgasklappe 98 angeordnet, mit welcher der Abgaskanal der Abgasanlage 40 zumindest teilweise verschlossen werden kann und auf diese Weise die über die Niederdruckabgasrückführung 80 in den Ansaugtrakt 20 zurückgeführte Abgasmenge gesteuert werden kann. Stromabwärts der Abgasklappe 98 ist an dem Abgaskanal ein zweites Dosiermodul 52 angeordnet, mit welchem Reduktionsmittel stromaufwärts eines zweiten SCR-Katalysators 54 in die Abgasanlage 40 eindosiert werden kann. Stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators 54 ist in der Abgasanlage ein NO_x-Speicherkatalysator 56 angeordnet.
Das erste Dosiermodul 46 ist über eine erste Reduktionsmittelleitung 64 mit einem Fördermodul 70 fluidisch verbunden. Das zweite Dosiermodul 52 ist über eine zweite Reduktionsmittelleitung 66 ebenfalls mit dem Fördermodul 70 fluidisch verbunden, wobei das Fördermodul 70 das Reduktionsmittel 72 aus einem Reduktionsmitteltank 68 dem jeweiligen Dosiermodul 46, 52 zur Verfügung stellt. An dem Fördermodul 70 und/oder an dem Reduktionsmitteltank 68 ist eine Heizung 74 angeordnet, mit der das Reduktionsmittel 72 bei kalten Außentemperaturen, insbesondere bei Temperaturen unter -10°C beheizt und gegebenenfalls aufgetaut werden kann. An dem Abgaskanal ist ferner mindestens ein Temperatursensor 78 angeordnet, um eine Abgastemperatur T_EG oder Bauteiltemperatur einer Komponente 44, 48, 54, 56 zur Abgasnachbehandlung zu ermitteln. Auf Basis dieser Temperatur und/oder des aktuellen Betriebszustandes des Verbrennungsmotors 10 können in einem Steuergerät 90 dann weitere Temperaturen in der Abgasanlage 40, insbesondere die Temperaturen des ersten SCR-Katalysators 48 und des zweiten SCR-Katalysators 54, berechnet werden. Alternativ kann auch an jedem der SCR-Katalysatoren 48, 54 ein Temperatursensor 78 angeordnet sein, um die Temperatur des jeweiligen SCR-Katalysators 48, 54 zu ermitteln. Alternativ oder zusätzlich zu dem Diesel-Oxidationskatalysator 44 kann in der Abgasanlage 40 stromaufwärts des Partikelfilters 50 auch ein NO_x-Speicherkatalysator 94 angeordnet sein.
Die Niederdruckabgasrückführung 80 umfasst eine Abgasleitung 88, in der in Strömungsrichtung eines Abgases durch die Abgasleitung 88 ein Niederdruck-Abgasrückführungskühler 82 und stromabwärts des Niederdruck-Abgasrückführungskühlers 82 ein Abgasrückführungsventil 84 zur Steuerung der dem Ansaugtrakt 20 zugeführten Abgasmenge angeordnet sind. Alternativ kann der Abgasrückführungskühler 82 auch stromabwärts des Abgasrückführungsventils 84 angeordnet sein. Die Abgasleitung 88 entspringt an der Verzweigungsstelle 62 aus dem Abgaskanal und mündet an der Einmündung 86 in den Ansaugkanal 30.
Durch die in 1 dargestellte Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung ist eine Mehrfachdosierung von Reduktionsmittel 72 in die Abgasanlage 40 möglich. Dabei ist vorgesehen, das Reduktionsmittel 72 bei kaltem Verbrennungsmotor 10 motornah, möglichst dicht nach dem Auslass 14 des Verbrennungsmotors 10, jedoch stromabwärts des Oxidationskatalysators 44 einzudosieren und mit dem motornahen ersten SCR-Katalysator 48 schädliche Stickoxide in ungiftigen molekularen Stickstoff und Wasserdampf zu konvertieren. Motorfern ist das zweite Dosiermodul 52 angeordnet und zwar so, dass die Abgastemperaturen T_EG 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 oxidiert wird. Steigt die Abgastemperatur weiter, so wird über die Kühlluftleitung 34 verdichtete Ansaugluft in die Abgasanlage 40 eingeblasen, um die Abgastemperatur vor Eintritt in den ersten SCR-Katalysator 48 abzusenken. Somit kann eine Oxidation des Ammoniaks verhindert oder zumindest verringert werden, sodass noch hinreichend viel Reduktionsmittel 72 zur selektiven, katalytischen Reduktion der Stickoxide auf dem ersten SCR-Katalysator 48 zur Verfügung steht.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors 10 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt wird im Folgenden nur auf die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel eingegangen. Die Kühlluftleitung 34 mündet in diesem Ausführungsbeispiel an einer Einleitstelle 62, stromabwärts des als Partikelfilter 50 mit SCR-Beschichtung ausgeführten ersten SCR-Katalysators 48 und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 54, bevorzugt stromabwärts der Verzweigung 92, besonders bevorzugt stromabwärts der Abgasklappe 98, in die Abgasanlage 40. Dadurch wird der Sauerstoffgehalt in der Niederdruck-Abgasrückführung 80 gesenkt, wodurch sich die Wirksamkeit der Niederdruck-Abgasrückführung gegenüber dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel erhöht. Ferner wird der notwendige Massenstrom reduziert, wodurch sich der Wirkungsgrad erhöht. Optional kann an der Abgasanlage 40 stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators 54 ein in 5 dargestelltes drittes Dosiermodul 102 angeordnet, welches Reduktionsmittel 72 stromaufwärts eines ebenfalls in 5 dargestellten dritten SCR-Katalysators 100 eindosieren kann. Das dritte Dosiermodul 102 ist in diesem Fall über eine dritte Reduktionsmittelleitung 104 mit dem Fördermodul 70 fluidisch verbunden. Das dritte Dosiermodul 102 und der dritte SCR-Katalysator 100 sind für noch höhere Lasten des Verbrennungsmotors 10 vorgesehen, um auch für diese Betriebspunkte optimale Konvertierungsraten der Stickoxide zu ermöglichen.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors 10 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 und 2 ausgeführt, ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Umschaltelement 96 vorgesehen, mit welchem die über die Kühlluftleitung 34 zugeführte Kühlluft zwischen einer ersten Einleitstelle 60 und einer zweiten Einleitstelle 62 umschaltbar beziehungsweise stufenlos aufteilbar ist.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors 10 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 2 ausgeführt, ist in diesem Ausführungsbeispiel in der Abgasanlage 40 stromabwärts der zweiten Einleitstelle 62 und stromaufwärts des zweites Dosiermoduls 52 ein Wärmetauscher 76 vorgesehen, mit welchem der Abgasstrom vor Eintritt in den zweiten SCR-Katalysator 54 weiter abgekühlt werden kann. Dabei wird der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 in dem Wärmetauscher 76 vorzugsweise durch die unter dem Kraftfahrzeug durchströmende Luft gekühlt. Alternativ ist auch eine Kühlung des Abgasstroms über den Kühlmittelkreislauf beziehungsweise einen Ölkreislauf des Verbrennungsmotors 10 möglich. Alternativ können auch hier mehr als zwei SCR-Katalysatoren 48, 54, 100 vorgesehen sein, wobei der Wärmetauscher 76 vorzugsweise vor dem in Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgasanlage 40 letzten SCR-Katalysator 54, 100 angeordnet ist.
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 3 ausgeführt, ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Kühlluftleitung 34 vorgesehen, welche sich an einem Umschaltelement 96 in eine erste Kühlluftleitung und eine zweite Kühlluftleitung verzweigt. Dabei mündet die ersten Kühlluftleitung an einer ersten Einleitstelle 60 in den Abgaskanal stromabwärts der Verzweigstelle 92 für die Niederdruck-Abgasrückführung 80 und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 54. Die zweite Kühlluftleitung mündet stromabwärts des zweite SCR-Katalysators 54 und stromaufwärts eines dritten SCR-Katalysators 100 in den Abgaskanal der Abgasanlage 40. Dabei ist stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators 54 und stromaufwärts des dritten SCR-Katalysators 100 ein drittes Dosiermodul 102 vorgesehen, welches über eine dritte Reduktionsmittelleitung 104 mit dem Fördermodul 70 verbunden ist. Stromabwärts des dritten SCR-Katalysators 100 ist ein Ammoniak-Sperrkatalysator 106 angeordnet, um im Falle einer Überdosierung von Reduktionsmittel 72 einen unkontrollierten Austritt von Ammoniak zu vermeiden. Durch das Umschaltelement kann die Kühlluft wahlweise stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 54, stromaufwärts des dritten SCR-Katalysators 100 oder entsprechend zwischen beiden Einleitstellen verteilt in die Abgasanlage 40 eingeleitet werden. Alternativ können auch mehr als drei SCR-Katalysatoren 48, 54, 100 und mehr als drei Dosiermodule 46, 52, 102 am Abgaskanal vorgesehen werden, wobei mit zunehmender Abgastemperatur auf ein in Strömungsrichtung weiter hinten liegendes Dosiermodul 52, 102 umgeschaltet wird. Alternativ zu einer Versorgung der Dosiermodule 46, 52, 102 über ein gemeinsames Fördermodul 70, können auch zwei oder mehr Fördermodule vorgesehen sein. Insbesondere kann es bei hoher Last und großen Abgasvolumina vorteilhaft sein, parallel Reduktionsmittel 72 durch das zweite Dosiermodul 52 vor dem zweiten SCR-Katalysator 54 und durch das dritte Dosiermodul 102 vor dem dritten SCR-Katalysator 100 einzudosieren, um das wirksame Katalysatorvolumen der SCR-Katalysatoren 54, 100 zu erhöhen und somit selbst bei hohen Raumgeschwindigkeiten eine effiziente Reduktion von Stickoxiden zu ermöglichen.
In 6 ist ein Ablaufdiagramm zu einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Abgasnachbehandlung dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt <100> wird mindestens eine Temperatur T in der Abgasanlage 40 ermittelt oder berechnet, aus der dann weitere Temperaturen, insbesondere die Bauteiltemperaturen der SCR-Katalysatoren 48, 54, 100 berechnet werden können. Alternativ können die Temperaturen T_1, T₂ der SCR-Katalysatoren 48, 54, 100 durch an dem jeweiligen SCR-Katalysator 48, 54, 100 angeordnete Temperatursensoren 78 gemessen werden. In einem Verfahrensschritt <110> wird die ermittelte Temperatur mit einer ersten Schwellentemperatur T_S1 verglichen, und eine Eindosierung von Reduktionsmittel 72 unterbunden, wenn die Temperatur T unterhalb der ersten Schwellentemperatur T_S1 liegt. In einem Verfahrensschritt <120> wird berechnet, welcher SCR-Katalysator 48, 54 die optimalen Bedingungen für eine Konvertierung von Stickoxiden bietet. Dabei werden in einem Verfahrensschritt <130> in Abhängigkeit des Lastzustandes, der Ammoniakspeicherkapazität, des NO_x-Umsatzverhaltens, der Temperatur und des Abgasmassenstroms ein oder mehrere SCR-Katalysatoren 48, 54 ausgewählt und durch die jeweils zugeordneten Dosiermodule 46, 52 Reduktionsmittel 72 bedarfsgerecht in den Abgaskanal 46 eindosiert. Liegt die Temperatur T oberhalb der ersten Schwellentemperatur T_S1 und unterhalb einer zweiten Schwellentemperatur T_S2, erfolgt in einem Verfahrensschritt <140> eine Eindosierung von Reduktionsmittel 74 durch das erste, motornahe Dosiermodul 46. Steigt die Abgastemperatur und damit verbunden die Temperatur T über die zweite Schwellentemperatur T_S2 an, erfolgt in einem Verfahrensschritt <150> ein Umschalten von dem ersten, motornahen Dosiermodul 36 auf eines oder mehrere der motorfernen Dosiermodule 52, 102. Steigt die Abgastemperatur weiter an und übersteigt eine dritte Schwellentemperatur T_S3 , so wird in einem Verfahrensschritt <160> Kühlluft über die Kühlluftleitung 34 in die Abgasanlage 40 eingeleitet, um die Abgastemperatur vor Eintritt in einen der SCR-Katalysatoren 48, 54, vorzugsweise vor Eintritt in den zweiten SCR-Katalysator 54, abzusenken. Dadurch wird bei hohen Abgastemperaturen vermieden, dass Ammoniak vor Eintritt in einen SCR-Katalysator 48, 54 oxidiert wird und somit unzureichend Reduktionsmittel zur selektiven, katalytischen Reduktion der Stickoxide vorliegt. Übersteigt die Abgastemperatur eine vierte Schwellentemperatur T_S4, wird in einem Verfahrensschritt <170> der Wärmetauscher 76 vorzugsweise mit einem flüssigen Kühlmittel durchströmt oder über einen Bypass zugeschaltet. Dadurch kann eine weitere Abkühlung des Abgases vor Eintritt in den in Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgasanlage 40 letzten SCR-Katalysator 54, 100 erfolgen. Dabei wird das Reduktionsmittel 72 zur selektiven katalytischen Reduktion durch das diesem letzten SCR-Katalysator 54, 100 zugeordnete Dosiermodul 52, 102 in die Abgasanlage 40 stromaufwärts des letzten SCR-Katalysators 54, 100 eingebracht.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Abgasnachbehandlung ist es möglich, die Stickoxid-Emissionen auch bei hohen Motorleistungen oder bei einer Regeneration des Partikelfilters effizient zu konvertieren und die Emissionen zu senken.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Einlass
14: Auslass
16: Hochdruckabgasrückführung
18: Brennraum
20: Ansaugtrakt
22: Luftfilter
24: Verdichter
26: Ladeluftkühler
28: Drosselklappe
30: Ansaugkanal
32: Verzweigung
34: Kühlluftleitung
36: Kühlluftventil
38: Abgasturbolader
40: Abgasanlage
42: Turbine
44: Oxidationskatalysator
46: erstes Dosiermodul
48: erster SCR-Katalysator
50: Partikelfilter mit SCR-Beschichtung
52: zweites Dosiermodul
54: zweiter SCR-Katalysator
56: NO_x-Speicherkatalysator
58: Mischelement
60: (erste) Einleitstelle
62: (zweite) Einleitstelle
64: erste Reduktionsmittelleitung
66: zweite Reduktionsmittelleitung
68: Reduktionsmitteltank
70: Fördermodul
72: Reduktionsmittel
74: Heizung
76: Wärmetauscher
78: Temperatursensor
80: Niederdruckabgasrückführung
82: Niederdruck-Abgasrückführungskühler
84: Abgasrückführungsventil
86: Einmündung
88: Abgasleitung
90: Steuergerät
92: Verzweigungsstelle
94: NO_x-Speicherkatalysator
96: Umschaltelement
98: Abgasklappe
100: dritter SCR-Katalysator
102: drittes Dosiermodul
104: dritte Reduktionsmittelleitung
106: Ammoniak-Sperrkatalysator
108: Hochdruck-AGR-Ventil
T: Temperatur
T_A: Temperatur der Ansaugluft stromabwärts des Ladeluftkühlers
T₁: erste Temperatur in der Abgasanlage
T₂: zweite Temperatur in der Abgasanlage
T_EG: Abgastemperatur
T_S1: erste Schwellentemperatur
T_S2: zweite Schwellentemperatur
T_S3: dritte Schwellentemperatur
T_S4: vierte Schwellentemperatur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015000955 A1 [0004]

Claims

Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines mittels eines Abgasturboladers (38) aufgeladenen Verbrennungsmotors (10), welcher mit seinem Einlass (12) mit einem Ansaugtrakt (20) verbunden ist, und welcher mit seinem Auslass (14) mit einer Abgasanlage (40) verbunden ist, wobei in der Abgasanlage (40) in einer motornahen Position ein erster SCR-Katalysator (48) angeordnet ist, dem ein erstes Dosiermodul (46) zur Eindosierung eines für die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden notwendigen Reduktionsmittels (72) zugeordnet ist, und wobei in der Abgasanlage (40) in einer motorfernen Position stromabwärts des ersten SCR-Katalysators (48) ein zweiter SCR-Katalysator (54) angeordnet ist, dem ein zweites Dosiermodul (52) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts eines im Ansaugtrakt (20) angeordneten Verdichters (24) des Abgasturboladers (38) eine Kühlluftleitung (34) aus einem Ansaugkanal (30) des Ansaugtraktes (20) abzweigt, welche den Ansaugkanal (30) mit einem Abgaskanal der Abgasanlage (40) stromabwärts des Auslasses (14) und stromaufwärts zumindest eines SCR-Katalysators (48, 54) verbindet.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluftleitung (34) stromabwärts eines Ladeluftkühlers (26) aus dem Ansaugkanal (30) abzweigt.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluftleitung (34) stromabwärts einer Turbine (42) des Abgasturboladers (38) in die Abgasanlage (40) einmündet.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlluftleitung (34) an einer Einleitstelle (62) stromabwärts des ersten SCR-Katalysators (48) und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators (54) in die Abgasanlage (40) einmündet.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasanlage (40) stromabwärts der Einleitstelle (62) und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators (54) ein Wärmetauscher (76) zur Reduzierung der Abgastemperatur (T_EG) vor Eintritt in den zweiten SCR-Katalysator (54) angeordnet ist.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste SCR-Katalysator (48) in der Abgasanlage (40) stromaufwärts einer Verzweigungsstelle (92), an der eine Niederdruck-Abgasrückführung (80) aus der Abgasanlage (40) abzweigt, angeordnet ist und der zweite SCR-Katalysator (54) stromabwärts der Verzweigungsstelle (92) angeordnet ist.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der SCR-Katalysatoren (48, 54) als ein Partikelfilter (50) mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ausgeführt ist.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasanlage (40) zusätzlich zu den SCR-Katalysatoren (48, 54) mindestens ein weiterer Katalysator (44, 56) angeordnet ist.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Katalysator als Diesel-Oxidationskatalysator (44) oder als NO_x-Speicherkatalysator (56, 94) ausgeführt ist.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Diesel-Oxidationskatalysator (44) oder der NO_x-Speicherkatalysator (94) in der Abgasanlage (30) stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators (38) angeordnet ist.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Dosiermodul (46) stromabwärts eines motornahen Diesel-Oxidationskatalysators (44) oder eines motornahen NO_x-Speicherkatalysators (94) angeordnet ist und das zweite Dosiermodul (52) in der Abgasanlage (40) stromabwärts der Verzweigungsstelle (92) angeordnet ist.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fördermodul (70) vorgesehen ist, welches fluidisch mit einem Reduktionsmitteltank (72) verbunden ist, wobei das Fördermodul (70) eingerichtet ist, um mindestens zwei Dosiermodule (46, 52) mit Reduktionsmittel (74) zu versorgen.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) mit einem Ansaugtrakt (20) und einer Abgasanlage (40), in der in einer motornahen Position ein erster SCR-Katalysator (48) angeordnet ist, welchem ein erstes Dosiermodul (46) zur Eindosierung eines für die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden notwendigen Reduktionsmittels (72) zugeordnet ist, und in der in einer motorfernen Position stromabwärts des ersten SCR-Katalysators (48) ein zweiter SCR-Katalysator (54) angeordnet ist, dem ein zweites Dosiermodul (52) zugeordnet ist, wobei eine Kühlluftleitung (34) den Ansaugtrakt (20) stromabwärts eines Verdichters (24) mit der Abgasanlage (40) stromabwärts eines Auslasses (14) des Verbrennungsmotors (10) verbindet, umfassend folgende Schritte: - Ermitteln oder Berechnen mindestens einer Temperatur (T) in der Abgasanlage (30) des Verbrennungsmotors (10), - Einleiten von Kühlluft in die Abgasanlage (40) über die Kühlluftleitung (34), falls die Abgastemperatur (T_EG) einen Schwellenwert (T_S3) übersteigt, wobei - die Abgastemperatur (T_EG) vor Eintritt in einen SCR-Katalysator (48, 54) abgesenkt wird, sodass mindestens einer der SCR-Katalysatoren (48, 54) in einem für die Konvertierung von Stickoxiden optimalen Temperaturbereich betrieben wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste SCR-Katalysator (48) als Partikelfilter (50) mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ausgeführt ist, wobei die Kühlluft stromabwärts des ersten SCR-Katalysators (48) in die Abgasanlage eingeleitet wird, um die Temperatur am zweiten SCR-Katalysator (54) zu senken, sodass der zweite SCR-Katalysator in einem optimalen Temperaturfenster zwischen 300°C und 450°C betrieben wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Heizphase und/oder einer Regenerationsphase des Partikelfilters (50) Kühlluft stromabwärts des Partikelfilters (50) in die Abgasanlage (40) eingeblasen wird, um während der Heizphase und/oder der Regeneration des Partikelfilters (50) eine effiziente Konvertierung von Stickoxiden durch den zweiten SCR-Katalysator (54) zu ermöglichen.