DE102018102490A1

DE102018102490A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102018102490A1
Application number: DE102018102490.8A
Authority: DE
Inventors: Aiko Mork; Torsten Schütte; Martina Gottschling; Arne Brömer; Stefan Wendenburg; Andreas Herr; Bernd Hupfeld; Stefan Resch
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-03-08
Filing date: 2018-02-05
Publication date: 2018-09-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, wobei in einer Abgasanlage des Verbrennungsmotors ein erster, motornaher SCR-Katalysator und ein zweiter, motorferner SCR-Katalysator angeordnet sind und wobei jedem der SCR-Katalysatoren ein Dosiermodul zugeordnet ist, mit dem ein Reduktionsmittel zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere wässrige Harnstofflösung, in die Abgasanlage jeweils stromaufwärts des jeweiligen SCR-Katalysators eindosiert werden kann. Dabei erfolgt die Eindosierung jeweils durch das Dosiermodul, dessen zugeordneter SCR-Katalysator die günstigsten Bedingungen für eine möglichst effiziente Konvertierung von Stickoxiden aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines solchen Verbrennungsmotors. Dabei ist vorgesehen, dass im Abgaskanal eine Temperatur ermittelt oder berechnet wird und anhand dieser Temperatur derjenige SCR-Katalysator ausgewählt wird, welcher aktuell die günstigsten Bedingungen für eine wirksame Konvertierung von Stickoxiden aufweist und durch das diesem SCR-Katalysator zugeordnete Dosiermodul ein Reduktionsmittel in die Abgasanlage eingebracht wird.

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. 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 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 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.
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 400°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.
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 Verbrennungsmotors, der mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist, gelöst, wobei in der Abgasanlage in einer motornahen Position ein erster SCR-Katalysator angeordnet ist, dem ein erstes Dosiermodul zur Eindosierung eines für die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden notwendigen Reduktionsmittels zugeordnet ist, und wobei in der Abgasanlage in einer motorfernen Position stromabwärts des ersten SCR-Katalysators ein zweiter SCR-Katalysator angeordnet ist, dem ein zweites Dosiermodul zugeordnet 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. Ferner kann es möglich sein, auf einen zusätzlichen NOx-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 Verbrennungsmotore nach dem Dieselprinzip vorgesehen, kann aber 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 das erste Dosiermodul stromabwärts einer Turbine eines Abgasturboladers des Verbrennungsmotors angeordnet ist und das zweite Dosiermodul im Abgaskanal 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.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das erste Dosiermodul stromabwärts einer Turbine eines Abgasturboladers des Verbrennungsmotors angeordnet ist und das zweite Dosiermodul im Abgaskanal stromabwärts der Verzweigungsstelle angeordnet ist. Durch die Anordnung des zweiten Dosiermoduls stromabwärts der Verzweigungsstelle für die Niederdruckabgasrückführung wird die Gefahr reduziert, 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 weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Abgasanlage stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators ein drittes Dosiermodul und ein dritter SCR-Katalysator angeordnet sind. Durch einen dritten SCR-Katalysator und ein drittes Dosiermodul können auch bei höheren Motorlasten, wenn die Abgastemperaturen an dem ersten und zweiten SCR-Katalysator jeweils zu hoch sind, um eine effiziente Konvertierung von Stickoxiden zu gewährleisten, die bei der Verbrennung auftretenden Stickoxid-Emissionen effizient konvertiert werden. Dies wird dadurch erreicht, dass das dritte Dosiermodul und der dritte SCR-Katalysator durch den großen Abstand von dem Auslass des Verbrennungsmotors mit einem Abgas durchströmt werden, dessen Temperatur in dem Temperaturfenster von ca. 170°C bis 400°C zur idealen Konvertierung von Stickoxiden liegt. Dabei wird durch die Eindosierung von wässriger Harnstofflösung an dem dritten Dosiermodel erreicht, dass der aus der wässrigen Harnstofflösung austretende Ammoniak nicht sofort in hohem Maße oxidiert und somit für die Abgasnachbehandlung durch den dritten SCR-Katalysator zur Verfügung steht.
Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass in der Abgasanlage stromabwärts des Auslasses des Verbrennungsmotors und stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers ein viertes Dosiermodul und ein vierter SCR-Katalysator angeordnet sind. Dieses vierte Dosiermodul und der vierte SCR-Katalysator ermöglichen durch ihre besonders motornahe Position stromaufwärts der Turbine insbesondere in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors ein schnelles Aufheizen des SCR-Katalysators auf eine Betriebstemperatur und somit eine wirksame Konvertierung von bei der Verbrennung entstehenden NOx-Emissionen. Dabei können das dritte Dosiermodul und der dritte SCR-Katalysator entfallen. Alternativ können das vierte Dosiermodul und der vierte SCR-Katalysator auch zusätzlich zu dem dritten SCR-Katalysator und dem dritten Dosiermodul vorhanden sein. Alternativ können das vierte Dosiermodul und der vierte SCR-Katalysator auch unmittelbar stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers in der Abgasanlage angeordnet sein. Ferner ist es möglich, dass das vierte Dosiermodul stromaufwärts der Turbine und der vierte SCR-Katalysator stromabwärts der Turbine angeordnet sind, wobei die Turbine als Abgasmischer wirkt und somit für eine verbesserte Gleichverteilung des Reduktionsmittels über den Querschnitt des Abgaskanals vor Eintritt in den vierten SCR-Katalysator sorgen kann.
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 zweckmäßig. 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. Ferner ist mit Vorteil vorgesehen, dass zusätzlich zu den SCR-Katalysatoren mindestens ein weiterer Katalysator vorgesehen ist. Dies ist bei einem Ottomotor vorzugsweise ein Drei-Wege-Katalysator.
Bevorzugt ist dabei, dass der Verbrennungsmotor als selbstzündender Verbrennungsmotor nach dem Diesel-Prinzip ausgebildet ist und der weitere Katalysator als NOx-Speicherkatalysator oder als Diesel-Oxidationskatalysator ausgeführt ist. Durch einen Oxidationskatalysator können unverbrannte Kohlenwasserstoffe oder andere unverbrannte oder teilverbrannte Verbrennungsprodukte des Verbrennungsmotors im Abgaskanal umgesetzt werden und somit eine effiziente Abgasnachbehandlung gewährleistet werden. Ein NOx-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.
Bevorzugt ist dabei, wenn der Diesel-Oxidationskatalysator oder der NOx-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.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das erste Dosiermodul stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators oder des Diesel-Oxidationskatalysators und stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators angeordnet ist. Dadurch wird verhindert, dass durch das erste Dosiermodul eindosiertes Reduktionsmittel, insbesondere wässrige Harnstofflösung oder Ammoniak, an dem NOx-Speicherkatalysator oder dem Diesel-Oxidationskatalysator oxidiert wird und somit zusätzliche Stickoxide im Abgaskanal entstehen.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung ist vorgesehen, dass ein Fördermodul vorgesehen ist, 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 sequenziell 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.
Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass zumindest einer der SCR-Katalysatoren, vorzugsweise der in Strömungsrichtung eines Abgases durch die Abgasanlage am dichtesten an dem Auslass des Verbrennungsmotors angeordnete SCR-Katalysator, elektrisch beheizbar ist. Eine weitere Verbesserung ist möglich, indem einer der SCR-Katalysatoren elektrisch beheizbar ist. Durch einen elektrisch beheizbaren SCR-Katalysator kann dieser, insbesondere nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors, schnell auf eine Betriebstemperatur gebracht werden, bei der eine effiziente Konvertierung von Stickoxiden möglich ist. Somit kann insbesondere in einer Kaltstartphase, aber auch bei niedrigen Lasten oder in Betriebspausen des Verbrennungsmotors bei Verwendung in einem Hybridantrieb, die Wirksamkeit der Abgasnachbehandlung, insbesondere die Reduktion der Stickoxide, weiter verbessert werden.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit 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 (38) ein zweiter SCR-Katalysator (50) angeordnet ist, dem ein zweites Dosiermodul (48) zugeordnet ist, vorgeschlagen, welches folgende Schritte umfasst:

- Ermitteln oder Berechnen mindestens einer Temperatur in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors,
- Eindosieren von dem Reduktionsmittel stromaufwärts des SCR-Katalysators, das bei der ermittelten oder berechneten Temperatur die höchste Konvertierungsleistung von NOx-Emissionen erwarten lässt.

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. 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. Die Dosierstrategie berücksichtigt die physikalischen Bedingungen in der Abgasanlage, insbesondere die Ammoniakspeicherkapazität und das NOx-Umsatzverhalten in Abhängigkeit von Temperatur und Abgasmassenstrom, des jeweils primär genutzten SCR-Katalysators. Dabei ist stets eine bedarfsgerechte Eindosierung von Reduktionsmittel möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Lastzustand des Verbrennungsmotors ermittelt wird und in Abhängigkeit des Lastzustandes entweder durch genau ein Dosiermodul oder durch mehrere Dosiermodule Reduktionsmittel in die Abgasanlage eindosiert wird. Bei geringen Abgasvolumina ist eine effiziente Konvertierung der Stickoxide durch genau einen SCR-Katalysator sinnvoll, um mit einem möglichst geringen Verbrauch an Reduktionsmittel eine effiziente Abgasnachbehandlung zu ermöglichen. Übersteigt der Lastzustand des Verbrennungsmotors einen bestimmten Schwellenwert, so kann durch eine parallele Eindosierung von Reduktionsmittel an mehreren Dosiermodulen die Wirksamkeit der Abgasnachbehandlung bei hohen Lastpunkten verbessert werden, wenn mehrere der SCR-Katalysatoren in dem idealen Temperaturfenster zur Konvertierung von Stickoxid-Emissionen betrieben werden können.
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 kein Reduktionsmittel in die Abgasanlage eindosiert wird. Liegt die Temperatur des SCR-Katalysators, insbesondere nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors, noch unterhalb einer Betriebstemperatur der SCR-Katalysatoren, wird eine Eindosierung von Reduktionsmittel unterbunden, um den Verbrauch von Reduktionsmittel zu reduzieren und keine zusätzlichen Sekundäremissionen zu verursachen.
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 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 auf das motorferne zweite Dosiermodul gewechselt, und/oder bei einem weiteren Anstieg der Abgastemperatur von dem motorfernen zweiten Dosiermodul auf das stromabwärts des zweiten Dosiermoduls angeordnete dritte Dosiermodul.
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. 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; und
4 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors.

1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 mit einem Luftversorgungssystem 20 und einer Abgasanlage 30. Der Verbrennungsmotor 10 weist eine Mehrzahl von Brennräumen 19 auf, in denen ein Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Einlass 12 auf, welcher mit dem Luftversorgungssystem 20 verbunden ist. Der Verbrennungsmotor 10 weist ferner einen Auslass 14 auf, welcher mit der Abgasanlage 30 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 18 angeordnet, mit welchem die Menge an zurückgeführtem Abgas gesteuert werden kann.
Das Luftversorgungssystem 20 umfasst einen Luftfilter 22, welcher an einem Frischluftkanal 29 angeordnet ist. Stromabwärts des Luftfilters 24 ist ein Verdichter 24 eines Abgasturboladers 32 angeordnet, welcher die Frischluft verdichtet. Weiter stromabwärts des Verdichters 24 ist in dem Frischluftkanal 29 ein Ladeluftkühler 26 vorgesehen, welcher die verdichtete Frischluft abkühlt und somit die Füllung der Brennräume 19 weiter verbessert. Stromabwärts des Ladeluftkühlers 26 kann eine Drosselklappe 28 angeordnet werden, um die den Brennräumen 19 des Verbrennungsmotors 10 zugeführte Luftmenge zu steuern.
Die Abgasanlage 30 weist einen Abgaskanal 46 auf, in dem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 46 eine Turbine 34 des Abgasturboladers 32 und stromabwärts der Turbine 34 eine Mehrzahl von Katalysatoren 38, 40, 50, 54, angeordnet ist. Als erste Abgasnachbehandlungskomponente ist in dem Abgaskanal 46 ein motornaher Diesel-Oxidationskatalysator 54 angeordnet, welcher einem motornahen Partikelfilter 42 mit einer Beschichtung 44 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden vorangestellt ist. Der Partikelfilter 42 mit der Beschichtung 44 stellt einen ersten SCR-Katalysator 38 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden dar. Stromabwärts des Diesel-Oxidationskatalysators 54 und stromaufwärts des Partikelfilters 42 mit der Beschichtung 44 ist ein erstes Dosiermodul 36 zur Eindosierung eines Reduktionsmittels 74 in dem Abgaskanal 46 angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 42 liegt eine Verzweigungsstelle 62, an der eine Niederdruck-Abgasrückführung 80 aus dem Abgaskanal 46 der Abgasanlage 30 abzweigt. Stromabwärts der Verzweigungsstelle 62 ist im Abgaskanal 46 eine Abgasklappe 52 angeordnet, mit welcher der Abgaskanal 46 zumindest teilweise verschlossen werden kann und auf diese Weise die über die Niederdruckabgasrückführung 80 in das Luftversorgungssystem 20 zurückgeführte Abgasmenge gesteuert werden kann. Stromabwärts der Abgasklappe 52 ist an dem Abgaskanal 46 ein zweites Dosiermodul 48 angeordnet, mit welchem Reduktionsmittel stromaufwärts eines zweiten SCR-Katalysators 50 in den Abgaskanal 46 eindosiert werden kann. Das erste Dosiermodul 36 ist über eine erste Reduktionsmittelleitung 64 mit einem Fördermodul 70 fluidisch verbunden. Das zweite Dosiermodul 48 ist über eine zweite Reduktionsmittelleitung 66 ebenfalls mit dem Fördermodul 70 fluidisch verbunden, wobei das Fördermodul 70 das Reduktionsmittel 74 aus einem Reduktionsmitteltank 72 dem jeweiligen Dosiermodul 36, 48 zur Verfügung stellt. An dem Fördermodul 70 und/oder an dem Reduktionsmitteltank 74 ist eine Heizung 76 angeordnet, mit der das Reduktionsmittel 74 bei kalten Außentemperaturen, insbesondere bei Temperaturen unter -10°C beheizt und gegebenenfalls aufgetaut werden kann. An dem Abgaskanal 46 ist ferner mindestens ein Temperatursensor 78 angeordnet, um eine Abgastemperatur oder Bauteiltemperatur einer Komponente 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 46, insbesondere die Temperaturen des ersten SCR-Katalysators 38 und des zweiten SCR-Katalysators 50, berechnet werden. Alternativ kann auch an jedem der SCR-Katalysatoren 38, 50 ein Temperatursensor 78 angeordnet sein, um die Temperatur des jeweiligen SCR-Katalysators 38, 50 zu ermitteln. Alternativ zu dem Dieseloxidationskatalysator 54 kann in der Abgasanlage stromaufwärts des Partikelfilters 42 und stromaufwärts des ersten Dosiermoduls 36 auch ein NOx-Speicherkatalysator 56 angeordnet sein.
Die Niederdruckabgasrückführung 80 umfasst eine Abgasleitung 88, in der in Strömungsrichtung eines Abgases durch die Abgasleitung 88 ein Abgaskühler 82 und stromabwärts des Abgaskühlers 82 ein Abgasrückführungsventil 84 zur Steuerung der dem Luftversorgungssystem 20 zugeführten Abgasmenge angeordnet sind. Die Abgasleitung entspringt an der Verzweigungsstelle 62 aus dem Abgaskanal 46 und mündet an der Einmündung 86 in den Frischluftkanal 29.
Durch die in 1 dargestellte Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung ist eine Mehrfachdosierung von Reduktionsmittel 74 in die Abgasanlage 30 möglich. Dabei ist vorgesehen, das Reduktionsmittel bei kaltem Verbrennungsmotor 10 sehr motornah, dicht nach dem Auslass 14 des Verbrennungsmotors 10 einzudosieren und mit dem motornahen ersten SCR-Katalysator 38 schädliche Stickoxide in ungiftigen molekularen Stickstoff und Wasserdampf zu konvertieren. Motorfern ist das zweite Dosiermodul 48 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. Zusätzlich kann der motornahe, erste SCR-Katalysator 38, welcher stromabwärts der Turbine 34 des Abgasturboladers 32 angeordnet und vorzugsweise als Partikelfilter 42 mit einer Beschichtung 44 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ausgeführt ist, ein elektrisches Heizelement aufweisen, mit welchem der erste SCR-Katalysator 38 im Wesentlichen unabhängig von dem Verbrennungsmotor 10 auf seine Betriebstemperatur aufgeheizt werden kann. Dabei kann das elektrische Aufheizen unmittelbar mit einem Motorstart des Verbrennungsmotors 10 beginnen. Alternativ kann das elektrische Aufheizen des ersten SCR-Katalysators 38 auch schon vor einem Motorstart des Verbrennungsmotors 10 beginnen, wenn durch ein Signal erkannt wird, dass ein Motorstart unmittelbar bevorsteht. Ein solches Signal kann beispielsweise durch eine Fernbedienung eines Schließsystems, einen Gurtkontaktschalter, einen Sensor zur Erkennung der Sitzbelegung oder ähnliche Sensoren erfolgen. Ferner kann bei einem Hybridantrieb durch eine Abfrage des Ladezustands der Hauptbatterie erkannt werden, dass ein Wechsel von einem elektrischen Antrieb auf einen verbrennungsmotorischen Antrieb des Fahrzeuges bevorsteht und rechtzeitig mit einer Beheizung des ersten SCR-Katalysators 38 begonnen werden kann, damit der erste SCR-Katalysator 38 möglichst schon bei Start des Verbrennungsmotors 10 seinen zur Konvertierung von Stickoxiden notwendigen Temperaturbereich erreicht hat und somit ab dem Start des Verbrennungsmotors 10 eine wirksame Konvertierung von Stickoxiden möglich ist.
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. An dem Abgaskanal 46 ist stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators 50 ein drittes Dosiermodul 58 angeordnet, welches Reduktionsmittel stromaufwärts eines dritten SCR-Katalysators 60 eindosieren kann. Das dritte Dosiermodul 58 ist über eine dritte Reduktionsmittelleitung 68 mit dem Fördermodul 70 fluidisch verbunden. Zudem ist in der Abgasanlage anstelle eines Dieseloxidationskatalysators 54 ein NOx-Speicherkatalysator 56 stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators 38 und stromaufwärts des ersten Dosiermoduls 36 angeordnet. Alternativ kann an dieser Stelle jedoch auch wie in 1 dargestellt ein Dieseloxidationskatalysator 54 angeordnet sein. Das dritte Dosiermodul 58 und der dritte SCR-Katalysator 60 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 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 und 2 ausgeführt, wird im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen. An dem Abgaskanal 46 der Abgasanlage 30 ist zusätzlich ein vierter SCR-Katalysator 61 stromaufwärts der Turbine 34 des Abgasturboladers 32 angeordnet. Stromabwärts des Auslasses 14 und stromaufwärts des motornahen, vierten SCR-Katalysators 61 ist an dem Abgaskanal 46 ein viertes Dosiermodul 59 angeordnet, mit dem in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors 10 besonders schnell eine Betriebstemperatur erreicht wird, bei der eine effiziente Umsetzung von Stickoxiden auf dem vierten SCR-Katalysator 61 möglich ist. Stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators 38 und stromaufwärts des ersten Dosiermoduls 36 kann wahlweise (wie in 3 dargestellt) ein NOx-Speicherkatalysator 56 oder ein Dieseloxidationskatalysator 54 angeordnet sein. Der vierte SCR-Katalysator 61 weist vorzugsweise ein geringes Volumen auf, um sich nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 möglichst schnell auf eine Betriebstemperatur aufzuheizen. Alternativ oder zusätzlich ist eine elektrische Heizung vorgesehen, um den vierten SCR-Katalysator 61 unabhängig vom Verbrennungsmotor 10, insbesondere vor einem Start des Verbrennungsmotors 10, auf eine Betriebstemperatur aufzuheizen.
In 4 ist ein Ablaufdiagramm zu einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Abgasnachbehandlung dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt <100> wird mindestens eine Temperatur T in der Abgasanlage 30 ermittelt oder berechnet, aus der dann weitere Temperaturen, insbesondere die Bauteiltemperaturen der SCR-Katalysatoren 38, 50, 60, 61 berechnet werden können. Alternativ können die Temperaturen T_1, T₂ , T₃ , T₄ der SCR-Katalysatoren durch an dem jeweiligen SCR-Katalysator 38, 50, 60, 61 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 74 unterbunden, wenn die Temperatur T unterhalb der ersten Schwellentemperatur T_S1 liegt. In einem Verfahrensschritt <120> wird berechnet, welcher SCR-Katalysator 38, 50, 60, 61 die optimalen Bedingungen für eine Konvertierung von Stickoxiden bietet. Dabei werden in einem Verfahrensschritt <130> in Abhängigkeit des Lastzustandes, der Ammoniakspeicherkapazität, des NOx-Umsatzverhaltens, der Temperatur und des Abgasmassenstroms ein oder mehrere SCR-Katalysatoren 38, 50, 60, 61 ausgewählt und durch die jeweils zugeordneten Dosiermodule 36, 48, 58, 59 Reduktionsmittel 74 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 36. 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 ein motorferneres Dosiermodul 48, 58.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Einlass
14: Auslass
16: Hochdruckabgasrückführung
18: Abgasrückführungsventil
19: Brennräume
20: Luftversorgungssystem
22: Luftfilter
24: Verdichter
26: Ladeluftkühler
28: Drosselklappe
29: Frischluftkanal
30: Abgasanlage
32: Abgasturbolader
34: Turbine
36: erstes Dosiermodul
38: erster SCR-Katalysator
40: Katalysator
42: Partikelfilter
44: Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden
46: Abgaskanal
48: zweites Dosiermodul
50: zweiter SCR-Katalysator
52: Abgasklappe
54: Diesel-Oxidationskatalysator
56: NOx-Speicherkatalysator
58: drittes Dosiermodul
59: viertes Dosiermodul
60: dritter SCR-Katalysator
61: vierter SCR-Katalysator
62: Verzweigungsstelle
64: erste Reduktionsmittelleitung
66: zweite Reduktionsmittelleitung
68: dritte Reduktionsmittelleitung
69: vierte Reduktionsmittelleitung
70: Fördermodul
72: Reduktionsmitteltank
74: Reduktionsmittel
76: Heizung
78: Temperatursensor
80: Niederdruckabgasrückführung
82: Abgaskühler
84: Abgasrückführungsventil
86: Einmündung
88: Abgasleitung
90: Steuergerät
T: Temperatur
T₁: erste Temperatur in der Abgasanlage
T₂: zweite Temperatur in der Abgasanlage
T₃: dritte Temperatur in der Abgasanlage
T₄: vierte Temperatur in der Abgasanlage
T_S1: erste Schwellentemperatur
T_S2: zweite Schwellentemperatur

Claims

Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10), der mit seinem Auslass (14) mit einer Abgasanlage (30) verbunden ist, wobei in der Abgasanlage (30) in einer motornahen Position ein erster SCR-Katalysator (38) angeordnet ist, dem ein erstes Dosiermodul (36) zur Eindosierung eines für die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden notwendigen Reduktionsmittels (74) zugeordnet ist, und wobei in der Abgasanlage (30) in einer motorfernen Position stromabwärts des ersten SCR-Katalysators (38) ein zweiter SCR-Katalysator (50) angeordnet ist, dem ein zweites Dosiermodul (48) zugeordnet ist.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste SCR-Katalysator (38) in der Abgasanlage (30) stromaufwärts einer Verzweigungsstelle (62), an der eine Niederdruck-Abgasrückführung aus dem Abgaskanal (46) der Abgasanlage (30) abzweigt, angeordnet ist und der zweite SCR-Katalysator (50) stromabwärts der Verzweigungsstelle (62) angeordnet ist.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Dosiermodul (36) stromabwärts einer Turbine (34) eines Abgasturboladers (34) des Verbrennungsmotors (10) angeordnet ist und das zweite Dosiermodul (48) im Abgaskanal (46) stromabwärts der Verzweigungsstelle (62) angeordnet ist.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasanlage (30) stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators (50) ein drittes Dosiermodul (58) und ein dritter SCR-Katalysator (60) angeordnet sind.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasanlage (30) stromabwärts des Auslasses (14) des Verbrennungsmotors (10) und stromaufwärts einer Turbine (34) eines Abgasturboladers (32) ein viertes Dosiermodul (59) und ein vierter SCR-Katalysator (61) angeordnet sind.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der SCR-Katalysatoren (38, 50, 60, 61) als ein Partikelfilter (42) mit einer Beschichtung (44) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ausgeführt ist.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasanlage (30) zusätzlich zu den SCR-Katalysatoren (38, 50, 60, 61) ein weiterer Katalysator (54, 56) angeordnet ist.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Katalysator (54, 56) als NOx-Speicherkatalysator (56) oder als Diesel-Oxidationskatalysator (54) ausgeführt ist, wobei der NOx-Speicherkatalysator (56) oder der Diesel-Oxidationskatalysator (54) vorzugsweise stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators (38) angeordnet ist.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Dosiermodul (36) stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators (56) oder des Diesel-Oxidationskatalysators (54) und stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators (38) angeordnet ist.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, 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 (36, 48, 58, 59) mit Reduktionsmittel (74) zu versorgen.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der SCR-Katalysatoren (38, 50, 60, 61), vorzugsweise der in Strömungsrichtung eines Abgases durch die Abgasanlage (30) am dichtesten an dem Auslass (14) des Verbrennungsmotors (10) angeordnete SCR-Katalysator (38, 61), elektrisch beheizbar ist.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) mit einer Abgasanlage (30), in der in einer motornahen Position ein erster SCR-Katalysator (38) angeordnet ist, welchem ein erstes Dosiermodul (36) zur Eindosierung eines für die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden notwendigen Reduktionsmittels (74) zugeordnet ist, und in der in einer motorfernen Position stromabwärts des ersten SCR-Katalysators (38) ein zweiter SCR-Katalysator (50) angeordnet ist, dem ein zweites Dosiermodul (48) zugeordnet ist, umfassend folgende Schritte: - Ermitteln oder Berechnen mindestens einer Temperatur (T) in der Abgasanlage (30) des Verbrennungsmotors (10), - Eindosieren von dem Reduktionsmittel (74) stromaufwärts des SCR-Katalysators (38, 50, 60, 61), das bei der ermittelten oder berechneten Temperatur (T) die höchste Konvertierungsleistung von NOx-Emissionen erwarten lässt.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lastzustand des Verbrennungsmotors (10) ermittelt wird und in Abhängigkeit des Lastzustandes entweder durch genau ein Dosiermodul (36, 48, 58, 59) oder durch mehrere Dosiermodule (36, 48, 58, 59) Reduktionsmittel (74) in die Abgasanlage (30) eindosiert wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte oder berechnete Temperatur (T) mit einer ersten Schwellentemperatur (T_S1) verglichen wird, und bei einer Temperatur unterhalb der ersten Schwellentemperatur (T_S1) kein Reduktionsmittel (74) in die Abgasanlage (30) eindosiert wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasanlage (30) mehrere Temperaturen (T₁, T₂; T₃) ermittelt oder berechnet werden, wobei bei Überschreiten einer zweiten Schwellentemperatur (T_S2) die Eindosierung des Reduktionsmittels (74) von dem motornahen Dosiermodul (36, 58) auf das motorferne Dosiermodul (48, 58) umgeschaltet wird.