-
Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
-
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 gegebenenfalls 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. Dabei kann der Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion versehen sein, um beide Funktionalitäten in einem Bauteil zu vereinen. 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.
-
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 450°C, sodass oberhalb dieser Temperatur ebenfalls nur eine geringe Konvertierung von schädlichen Stickoxiden mittels des SCR-Katalysators möglich ist. Zudem besteht bei Motoren mit einer Niederdruckabgasrückführung die Gefahr, dass das Reduktionsmittel in die Abgasrückführung gelangt, und dort bei niedrigen Temperaturen an den Wänden des Abgaskanals anlagert. Dabei kristallisiert der Harnstoff aus der wässrigen Harnstofflösung aus, was zu Ablagerungen an den Wänden des Abgaskanals der Niederdruckabgasrückführung führen kann, welche die Funktion der Abgasrückführung einschränken können. Ferner besteht die Gefahr, dass aus der wässrigen Harnstofflösung gewonnenes Ammoniak, welches nicht auf dem SCR-Katalysator umgesetzt wird, über die Niederdruck-Abgasrückführung in die Brennräume des Verbrennungsmotors gelangt und bei der Verbrennung oxidiert wird, wodurch die NOx-Emissionen ansteigen.
-
Durch die Entwicklung von immer effizienteren Verbrennungsmotoren und Verbrennungsverfahren nehmen die Abgastemperaturen ab. Um auch bei niedrigen Motorlasten und niedrigen Umgebungstemperaturen hohe Konvertierungsraten der Abgasnachbehandlung zu erreichen, müssen die Katalysatoren nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors auf ihre jeweilige Light-Off-Temperatur aufgeheizt und im Betrieb oberhalb dieser Light-Off-Temperatur gehalten werden. Zur Aufheizung der Katalysatoren sind innermotorische Heizverfahren bekannt, bei denen der Einspritzzeitpunkt in Richtung spät verschoben wird. Dies kann jedoch zu erhöhten Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, einer Ölverdünnung und damit verbunden zu einem erhöhten Verschleiß des Verbrennungsmotors führen. Zudem führen innermotorische Heizmaßnahmen zu einem verschlechterten thermischen Wirkungsgrad und somit zu einem Mehrverbrauch des Verbrennungsmotors. Darüber hinaus ist es bekannt, zumindest einen Teil des Abgaskanals thermisch zu isolieren, um den Wärmeverlust zu minimieren und das Aufheizen der Katalysatoren auf diese Weise zu verbessern.
-
Ferner sind Heizmaßnahmen bekannt, bei denen die Katalysatoren durch einen am Abgaskanal angeordneten Abgasbrenner beheizt werden. Dies ist jedoch mit zusätzlichen Bauteilen und somit einer deutlichen Kostenerhöhung des Abgasnachbehandlungssystems verbunden.
-
Aus der
DE 10 2008 032 601 A1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem solchen Abgasbrenner bekannt. Nachteilig an einer solchen Lösung ist jedoch, dass ein zusätzlicher Abgasbrenner benötigt wird, mit welchem der gesamte Abgasstrom des Verbrennungsmotors aufgeheizt werden muss, wodurch hohe Brennerleistungen notwendig sind.
-
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und schnelles Aufheizen der Komponenten der Abgasnachbehandlung und somit eine effiziente Konvertierung der Schadstoffe zu ermöglichen und insbesondere die Emissionen nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors zu minimieren.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, welches mit einem Auslass des Verbrennungsmotors verbindbar ist, gelöst, wobei das Abgasnachbehandlungssystem einen Abgaskanal aufweist, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors durch den Abgaskanal ein Oxidationskatalysator und stromabwärts des Oxidationskatalysators ein Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden oder ein Partikelfilter und ein SCR-Katalysator angeordnet sind. Dabei ist an dem Abgaskanal ein Bypass vorgesehen, welcher stromabwärts des Auslasses des Verbrennungsmotors aus dem Abgaskanal abzweigt und stromaufwärts des Oxidationskatalysators wieder in den Abgaskanal mündet. An dem Bypass ist ein Dosierelement zur Eindosierung von Kraftstoff in den Bypass angeordnet, welchem ein elektrisch beheizbarer Katalysator im Bypass nachgeschaltet ist. Dabei sind der Oxidationskatalysator und der Partikelfilter mit der Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden bevorzugt in einer motornahen Position im Abgaskanal angeordnet. 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. Der Oxidationskatalysator kann zusätzlich eine Beschichtung zur temporären Einspeicherung von Stickoxiden aufweisen und als NOx-Speicherkatalysator ausgebildet sein. Durch ein Dosierelement zum Eindosieren von Kraftstoff und einen nachgeschalteten elektrisch beheizbaren Katalysator kann das Abgas im Bypass im Wesentlichen unabhängig von der Betriebssituation des Verbrennungsmotors aufgeheizt werden. Dabei wird der Kraftstoff in den Bypass erst dann eindosiert, wenn der elektrisch beheizbare Katalysator eine hinreichende Temperatur zur exothermen Umsetzung von unverbranntem Kraftstoff aufweist. Das auf diese Weise aufgeheizte Abgas wird dann stromaufwärts der ersten katalytisch wirksamen Komponenten in den Abgaskanal eingeleitet, um die Abgasnachbehandlungskomponenten im Abgaskanal im Wesentlichen unabhängig von der Betriebssituation des Verbrennungsmotors aufzuheizen. Dadurch können die Emissionen minimiert werden. Da der Abgasstrom durch den Bypass im Vergleich zum Hauptabgasstrom wesentlich geringer ist und der Bypass mit einem kleineren Durchmesser als der Abgaskanal ausgeführt werden kann, kann der elektrisch beheizbare Katalysator entsprechend kleinvolumig ausgeführt werden. Dabei wird gegenüber einem Heizelement im Abgaskanal deutlich weniger elektrische Leistung zum Aufheizen benötigt. Zudem kann der elektrisch beheizbare Katalysator vergleichsweise klein und kostengünstig ausgeführt werden. Zudem ergibt sich gegenüber innermotorischen Heizmaßnahmen der Vorteil, dass die Gefahr einer Ölverdünnung durch eine späte Kraftstoffeinspritzung quasi ausgeschaltet wird. Ferner kann auch eine Regeneration des Partikelfilters ohne innermotorische Heizmaßnahmen durchgeführt werden.
-
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterbildungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Abgasnachbehandlungssystems möglich.
-
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem elektrisch beheizbaren Katalysator im Bypass ein Oxidationskatalysator nachgeschaltet ist. Durch einen zusätzlichen Oxidationskatalysator wird die Raumgeschwindigkeit im Bypass reduziert, sodass die Effizienz der Katalysatoren gesteigert wird. Zudem kann mehr Kraftstoff in dem Bypass exotherm umgesetzt werden und somit die Heizleistung erhöht werden, ohne das Katalysatorvolumen des elektrisch beheizbaren Katalysators und damit seine thermische Trägheit zu erhöhen.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Abgaskanal eine Turbine eines Abgasturboladers angeordnet ist, wobei der Bypass ein Waste-Gate-Kanal des Abgasturboladers ist. Durch eine Anordnung von Dosierelement und elektrisch beheizbarem Katalysator in einem Waste-Gate-Kanal eines Abgasturboladers kann eine besonders kompakte und bauraumoptimierte Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems dargestellt werden, da ein solcher Waste-Gate-Kanal bei einem Abgasturbolader in der Regel ohnehin vorhanden ist und nur die Ausgestaltung des Waste-Gate-Kanals verändert werden muss.
-
Alternativ kann der Bypass auch stromabwärts des Auslasses und stromaufwärts der Turbine aus dem Abgaskanal abzweigen und stromabwärts der Turbine und stromaufwärts des Oxidationskatalysators wieder in den Abgaskanal münden. Durch ein Einleiten des Abgases in den Bypass stromaufwärts der Turbine kann relativ warmes und energiehaltiges Abgas in den Bypass eingeleitet werden, wodurch sich die benötigte Heizleistung gegenüber einer Einleitstelle stromabwärts der Turbine reduziert, um eine Zündung des über das Dosierelement eingebrachten Kraftstoffes zu ermöglichen.
-
Alternativ ist eine Ausführungsform vorgesehen, bei der im Abgaskanal eine Turbine eines Abgasturboladers angeordnet ist, wobei der Bypass stromabwärts der Turbine aus dem Abgaskanal abzweigt und stromaufwärts des Oxidationskatalysators wieder in den Abgaskanal einmündet. Durch eine Entnahme des Abgasstroms stromabwärts der Turbine kann die maximale Abgasenergie zum Antrieb der Turbine des Abgasturboladers genutzt werden und somit das Ansprechverhalten des Abgasturboladers gegenüber den vorstehenden Ausführungsvarianten verbessert werden. Zudem kann durch eine Regelklappe im Abgaskanal ein beliebiger Teilstrom durch den Bypass geleitet werden, sodass eine Aufteilung zwischen durch den Abgaskanal geführtem und durch den Bypass geführtem Abgasstrom besonders einfach möglich ist. Zusätzlich kann im Bypass eine weitere Abgasklappe angeordnet sein, um die Aufteilung des Abgasstroms weiter zu verbessern und/oder um die Raumgeschwindigkeit im Bypass weiter abzusenken.
-
In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass an einer Einmündung des Bypasses in den Abgaskanal ein Mischelement angeordnet ist. Durch ein Mischelement ist eine verbesserte Durchmischung des heißen Abgasstroms aus dem Bypass mit dem Abgasstrom aus dem Abgaskanal vor Eintritt in den Oxidationskatalysator möglich.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass aus dem Bypass ein Abgasrückführungskanal des Verbrennungsmotors gespeist wird. Dadurch kann eine Abgasrückführung auf einfache Art und Weise in das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem integriert werden.
-
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Abgasrückführungskanal aus dem Bypass stromabwärts einer Verzweigung des Bypasses aus dem Abgaskanal und stromaufwärts des Dosiermoduls abzweigt. Auf diese Art und Weise lässt sich ohne weiteren konstruktiven Aufwand eine Hochdruck-Abgasrückführung integrieren, wodurch eine kompakte Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems möglich ist.
-
Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Abgasrückführungskanal aus dem Bypass stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators, insbesondere stromabwärts des Oxidationskatalysators im Bypass, und stromaufwärts einer Einmündung des Bypasses in den Abgaskanal abzweigt. Durch eine Entnahme des zurückgeführten Abgasstroms stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators kann das zurückgeführte Abgas gezielt konditioniert werden. Je nach Gemischzusammensetzung und Heizleistung kann die Temperatur in der Abgasrückführung angehoben und auch mit hoch-reaktiven Abgasbestandteilen versetzt werden. Zurückgeführt in den Brennraum kann dieses Abgas die Verbrennung beziehungsweise die Rohemissionen des Verbrennungsmotors positiv beeinflussen. Bei einer Entnahme des Abgases stromabwärts des Oxidationskatalysators kann die Temperatur des zurückgeführten Abgases nochmals gesteigert werden.
-
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem vorgeschlagen, wobei zur Anhebung der Abgastemperatur im Abgaskanal der elektrisch beheizbare Katalysator mindestens bis auf eine erste Schwellentemperatur, insbesondere die Light-Off-Temperatur des elektrisch beheizbaren Katalysators, aufgeheizt wird, ab welcher eine exotherme Umsetzung von Kraftstoff durch den elektrisch beheizbaren Katalysator möglich ist. Anschließend wird durch das Dosiermodul Kraftstoff in den Bypass stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators eindosiert, und dieser Kraftstoff auf einer katalytisch wirksamen Oberfläche des elektrisch beheizbaren Katalysators exotherm umgesetzt, wobei das aufgeheizte Abgas an einer Einmündung stromaufwärts des Oxidationskatalysators in den Abgaskanal eingeleitet wird. Dadurch können der Oxidationskatalysator und die nachfolgenden Abgasnachbehandlungskomponenten im Wesentlichen unabhängig von dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors auf ihre Betriebstemperatur aufgeheizt und somit die Kaltstart-Emissionen signifikant reduziert werden. Bevorzugt ist dabei, wenn das elektrische Heizelement des elektrisch beheizbaren Katalysators abgeschaltet wird, wenn der elektrisch beheizbare Katalysator eine zweite Schwellentemperatur erreicht hat, welche oberhalb der ersten Schwellentemperatur liegt. Dadurch kann eine thermische Schädigung des elektrischen Heizelements und/oder des elektrisch beheizbaren Katalysators vermieden werden.
-
In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens zur Abgasnachbehandlung ist vorgesehen, dass das Verfahren mindestens eine weitere abgastemperaturfördernde Maßnahme umfasst. Unter den weiteren abgastemperaturfördernden Maßnahmen sind insbesondere eine Reduzierung des Abgasmassenstroms durch das Abgasnachbehandlungssystem, beispielsweise durch ein einlassseitiges Androsseln der Frischluftmenge, eine auslassseitige Drosselung des Abgasstromes, insbesondere durch eine Abgasklappe oder eine verstellbare Leitgeometrie der Turbine des Abgasturboladers, eine Veränderung der Ventilöffnungszeiten des Verbrennungsmotors und/oder eine Zylinderabschaltung zu verstehen. Ferner kann die Abgastemperatur durch eine erhöhte Rückführung heißer Abgase, durch eine Hochdruckabgasrückführung und/oder durch eine innermotorische Abgasrückführung durch eine Ventilüberschneidung der Öffnungszeiten von Einlass und Auslassventilen, gesteigert werden. Dadurch können das Aufheizen nochmals beschleunigt werden und es ist insgesamt ein höheres Abgastemperaturniveau möglich. Somit können die Endrohremissionen weiter gesenkt werden.
-
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 in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem;
- 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem;
- 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem; und
- 4 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors.
-
1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 mit einem Einlass 12 und einem Auslass 14, an welchen ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem 20 angeschlossen ist. Der Verbrennungsmotor 10 weist eine Mehrzahl von Brennräumen 18 auf, in denen ein Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird. 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 72 angeordnet, über welches die Menge an zurückgeführtem Abgas gesteuert werden kann. In der Hochdruckabgasrückführung 16 kann ein nicht dargestellter Hochdruck-Abgasrückführungskühler angeordnet sein, welcher vorzugsweise über einen ebenfalls nicht dargestellten Bypass umgehbar ist. Der Verbrennungsmotor ist bevorzugt als selbstzündender Verbrennungsmotor 10 nach dem Diesel-Prinzip ausgebildet.
-
Das Abgasnachbehandlungssystem 20 umfasst einen Abgaskanal 22 in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 22 eine Turbine 40 eines Abgasturboladers 42 und stromabwärts der Turbine 40 eine Mehrzahl von Katalysatoren 24, 26, 56 angeordnet ist. Als erste Abgasnachbehandlungskomponente ist in dem Abgaskanal 22 ein motornaher Oxidationskatalysator 24 angeordnet, welcher einem motornahen Partikelfilter 26 mit einer Beschichtung 28 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden vorangestellt ist. Der Partikelfilter 26 mit der Beschichtung stellt einen ersten SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden dar. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 24 und stromaufwärts des Partikelfilters 26 ist ein erstes Dosiermodul 52 zur Eindosierung eines Reduktionsmittels, insbesondere flüssiger Harnstofflösung, in dem Abgaskanal 22 angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 26 mit der Beschichtung 28 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden können weitere Katalysatoren, insbesondere ein oder mehrere weitere, in 2 und 3 exemplarisch dargestellten, SCR-Katalysatoren 56 zur Reduzierung der Stickoxid-Emissionen im Abgaskanal 22 angeordnet sein. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 24 und stromaufwärts des Partikelfilters 26 mit der Beschichtung 28 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden kann ein Abgasmischer 54 vorgesehen sein, um eine verbesserte Vermischung des eindosierten Reduktionsmittels mit dem Abgas des Verbrennungsmotors 10 zu ermöglichen. Alternativ kann der Partikelfilter 26 auch als unbeschichteter Partikelfilter ausgeführt werden, welchem ein SCR-Katalysator 56 nachgeschaltet ist.
-
Der Abgasturbolader 42 weist einen Waste-Gate-Kanal 44 auf, welcher stromaufwärts der Turbine 40 aus dem Abgaskanal 22 abzweigt und stromabwärts der Turbine 40 und stromaufwärts des Oxidationskatalysators 24 wieder in den Abgaskanal 22 einmündet. Dabei ist an der Verzweigung 50, an welcher der Bypass 30 aus dem Abgaskanal 22 abzweigt, eine Regelklappe 62 vorgesehen, welche über einen Aktuator 64 verstellbar ist. Diese Regelklappe 62 kann den Bypass 30 sperren, sodass der gesamte Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 22 geleitet wird. Ferner kann die Regelklappe 62 den Abgaskanal 22 zumindest teilweise sperren, sodass zumindest ein Teilstrom des Abgases durch den Bypass 30 geleitet wird. An dem Bypass 30 ist ein Dosierelement 32 zur Eindosierung von Kraftstoff in den Bypass 30 vorgesehen. Stromabwärts des Dosierelements 32 sind in dem Bypass 30 ein elektrisch beheizbarer Katalysator 34 und ein Oxidationskatalysator 36 angeordnet, um den durch das Dosierelement eingespritzen Kraftstoff exotherm im Bypass 30 an den katalytisch wirksamen Oberflächen der Katalysatoren 34, 36 exotherm umzusetzen. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 36 mündet der Bypass 30 wieder in den Abgaskanal 22, wobei die Einmündung 38 des Bypasses stromabwärts der Turbine 40 des Abgasturboladers 42 und stromaufwärts des Oxidationskatalysators 24 liegt. An der Einmündung 38 ist ein Mischelement 46 vorgesehen, um den Abgasstrom aus dem Bypass 30 mit dem Abgasstrom im Abgaskanal 22 zu vermischen und somit für eine verbesserte Durchwärmung und eine homogenere Abgaszusammensetzung des Abgases im Abgaskanal 22 zu sorgen. Das Mischelement 46 kann dabei verstellbar ausgeführt werden, um wahlweise, insbesondere betriebspunktabhängig, einen besonders hohen Vermischungsgrad oder einen geringen Strömungswiderstand im Abgaskanal 22 zu realisieren. In dem Abgaskanal 22 sind zusätzlich Sensoren 66, 68, insbesondere ein Abgastemperatursensor 66 und ein Differenzdrucksensor 68 vorgesehen, welche über nicht dargestellte Signalleitungen mit einem Steuergerät 60 des Verbrennungsmotors 10 verbunden sind. Besonders bevorzugt ist, wenn sowohl im Abgaskanal 22 als auch im Bypass 30 jeweils eine Abgastemperatursensor 66, 66a und jeweils ein Differenzdrucksensor 68, 68a angeordnet sind, um das Verhältnis des Massenstroms durch den Bypass 30 und den Abgaskanal 22 sowie die notwendige Heizleistung zu ermitteln.
-
Alternativ kann der Verbrennungsmotor 10 als Teil eines Hybridsystems mit einem elektrischen Antriebsmotor zusammenwirken und insbesondere über ein gemeinsames Getriebe mit einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges verbunden sein.
-
In einer vereinfachten Form der Erfindung kann der Oxidationskatalysator 36 im Bypass 30 auch entfallen.
-
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 20 für einen Verbrennungsmotor 10 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, zweigt der Bypass 30 in diesem Ausführungsbeispiel stromabwärts der Turbine 40 des Abgasturboladers 42 aus dem Abgaskanal 22 ab und mündet stromaufwärts des Oxidationskatalysators 24 wieder in den Abgaskanal 22. Der Abgasturbolader 42 ist vorzugsweise als Abgasturbolader 42 mit verstellbarer Leitgeometrie (VTG-Lader) ausgeführt. Ferner ist stromabwärts des Partikelfilters 26 mit der Beschichtung 28 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden am Abgaskanal 22 ein zweites Dosiermodul 74 vorgesehen, welchem ein zweiter SCR-Katalysator 56 nachgeschaltet ist.
-
Im Betrieb des Verbrennungsmotors 10 kann es, insbesondere nach einem Kaltstart oder nach einer Schwachlastphase beziehungsweise einer rein elektrischen Antriebsphase eines Hybridantriebes, zu Betriebszuständen kommen, bei welchen die Katalysatoren 24, 26, 56 nicht die zur Konvertierung der Schadstoffe im Abgas notwendige Temperatur aufweisen. Liegt die Temperatur im Abgaskanal 22, insbesondere am Oxidationskatalysator 24, unterhalb einer Schwellentemperatur, wird der elektrisch beheizbare Katalysator 34 im Bypass mindestens bis auf seine Light-Off-Temperatur elektrisch erwärmt und dann mittels des Dosierelements 32 Kraftstoff in den Bypass 30 eingespritzt, sodass dieser Kraftstoff auf der katalytisch wirksamen Oberfläche des elektrisch beheizbaren Katalysators 34 exotherm umgesetzt wird und das Abgas im Bypass 30 erhitzt. Dieses erhitzte Abgas wird über die Einmündung 38 des Bypasses 30 in den Abgaskanal 22 geleitet und kann somit die Abgasnachbehandlungskomponenten im Abgaskanal 22 auf ihre jeweilige Betriebstemperatur beziehungsweise Regenerationstemperatur aufheizen. Somit können innermotorische Heizmaßnahmen wie eine späte Nacheinspritzung bei einem Dieselmotor, welche die Gefahr einer Verdünnung des Motoröls mit dem Kraftstoff und damit verbunden einen erhöhten Verschleiß des Verbrennungsmotors 10 mit sich bringen, vermieden werden, und es ist möglich, die Abgasnachbehandlungskomponenten 24, 26, 56 im Abgaskanal 22 im Wesentlichen unabhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 auf ihre Betriebstemperatur beziehungsweise Regenerationstemperatur aufzuheizen. Somit können die Emissionen nicht nur in der Kaltstartphase, sondern auch bei einer Regeneration des Partikelfilters 26 verringert werden. Um einen hinreichendes Druckgefälle zu erzielen, sodass der Abgasstrom zumindest teilweise durch den Bypass 30 geleitet wird, muss die Regelklappe 62 den Abgaskanal 22 zumindest teilweise versperren. Ferner kann die Regelklappe 62 so angeordnet sein, dass sie in zumindest einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 den Bypass 30 verschließt, um die Strömungsbedingungen im Abgaskanal 22 zu optimieren.
-
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 20 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 und 2 ausgeführt, sind in diesem Ausführungsbeispiel ein oder mehrere Abgasrückführungskanäle 48 vorgesehen, welche aus dem Bypass 30 abzweigen und einlassseitig mit dem Verbrennungsmotor 10 verbunden sind. Dabei ist in der Abgasrückführung 16 ein Abgasrückführungsventil 72 vorgesehen, über welches die zurückgeführte Abgasmenge gesteuert oder geregelt werden kann. Dabei sind an dem Bypass 30 vier verschiedene, mit I bis IV bezeichnete Verzweigungsstellen vorgesehen, an welchen ein Abgasrückführungskanal 48 aus dem Bypass 30 abzweigen kann. Zudem ist stromabwärts des Oxidationskatalysators 36 und stromaufwärts der Einmündung 38 ein Bypass-Mengenregelungsventil 58, 58a, 58b, 58c, 58d vorgesehen, mit welchem die Menge des zurückgeführten Abgases beeinflusst werden kann. Bei der Verwendung von entsprechenden Bypass-Mengenregelungsventilen 58a, 58b, 58c, 58d kann das Abgasrückführungsventil 72 in der Hochdruckabgasrückführung 16 entfallen. Dabei entspricht die Verzweigungsstelle I im Wesentlichen einer bekannten Hochdruckabgasrückführung 16. Die Verzweigungsstelle II stromabwärts des Dosierelements 32 und stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 34 ermöglicht eine Anreicherung des zurückgeführten Abgases mit Kraftstoff, wodurch ein im Wesentlichen homogenes Kraftstoff-Luftgemisch hergestellt werden kann, welches der Frischluft vor Eintritt in den Brennraum 18 beigemischt werden kann. Dies kann den Verbrennungsprozess in den Brennräumen 18 des Verbrennungsmotors 10 positiv beeinflussen. Eine solche Abgasrückführung kann nicht nur während einer Aufheizphase, insbesondere nach einem Kaltstart durchgeführt werden, sondern auch im Normalbetrieb die Emissionen des Verbrennungsmotors 10 positiv beeinflussen.
-
Eine Entnahme des Abgasstroms für die Abgasrückführung an der Verzweigungsstelle III hat den Vorteil, dass das zurückgeführte Abgas gezielt konditioniert werden kann. Zudem kann das zurückgeführte Abgas hoch-reaktive Moleküle enthalten, wenn der zurückgeführte Abgasstrom ein Verbrennungsluftverhältnis Ä < 1 aufweist. Zurückgeführt in den Brennraum 18 können diese hoch-reaktiven Moleküle die Verbrennung beziehungsweise die Rohemissionen des Verbrennungsmotors 10 positiv beeinflussen. Eine Entnahme an der Verzweigungsstelle IV stromabwärts des Oxidationskatalysators 36 im Bypass ermöglicht die Rückführung eines besonders heißen Abgases, welches chemisch inaktiv ist, wodurch sich in bestimmten Betriebssituationen ebenfalls Vorteile für die Verbrennung beziehungsweise die Rohemissionen des Verbrennungsmotors 10 ergeben können. Dabei ist vorzugsweise an jeder der Verzweigungsstellen I - IV ein Absperrventil vorgesehen, um einen wahlweisen Betrieb der Abgasrückführung 16 zu ermöglichen.
-
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 ermittelt oder berechnet. Diese Temperatur T wird in einem Verfahrensschritt <110> mit einer Schwellentemperatur TS1 verglichen, wobei bei einer Temperatur unterhalb der Schwellentemperatur TS1 ein Aktuator 64 ein Stellelement 62 an der Verzweigung 50 des Bypasses 30 vom Abgaskanal 22 in einem Verfahrensschritt <120> derart verstellt, dass ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 zumindest anteilig durch den Bypass 30 des Abgaskanals 22 geleitet wird. In einem Verfahrensschritt <130> wird der elektrisch beheizbare Katalysator 34 durch ein Heizelement elektrisch beheizt, bis die katalytisch wirksame Oberfläche des elektrisch beheizbaren Katalysators 34 zumindest ihre Light-Off-Temperatur TLO erreicht hat. In einem Verfahrensschritt <140> wird durch das Dosierelement 32 Kraftstoff in den Bypass 30 stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 34 eingespritzt und an der katalytisch wirksamen Oberfläche des elektrisch beheizbaren Katalysators 34 exotherm umgesetzt. Hat der Oxidationskatalysator 36 im Bypass ebenfalls seine Light-Off-Temperatur erreicht, so wird der Kraftstoff zusätzlich auch an dessen katalytisch wirksamer Oberfläche umgesetzt, sodass der Abgasstrom weiter erhitzt wird. In diesem Verfahrensschritt <150> kann das elektrische Heizelement des elektrisch beheizbaren Katalysators 34 weiter aktiv bleiben, sodass parallel ein elektrisches und ein chemisches Aufheizen des Abgases im Bypass erfolgen. Dieses heiße Abgas strömt über die Einmündung 38 in den Abgaskanal 22. Dadurch werden die im Abgaskanal 22 angeordneten Abgasnachbehandlungskomponenten 24, 26, 56 aufgeheizt. Hat der Oxidationskatalysator 24 im Abgaskanal 22 seine Betriebstemperatur erreicht, wird das Stellelement 62 durch den Aktuator in einem Verfahrensschritt <160> wieder derart verstellt, dass das Abgas des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 22 strömt und der Bypass 30 im Wesentlichen aus dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 entkoppelt ist. Ferner kann die Regelstrategie durch entsprechende Sensoren 66, 66a, 68, 68a im Bypass 30 und im Abgaskanal 22 um eine Enthalpiebetrachtung und/oder eine Wärmekapazitätsbetrachtung der Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems 20 verfeinert werden, wodurch eine präzisere Vorsteuerung der Abgastemperatur TEG auf den Katalysatoren 24, 28 möglich ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Einlass
- 14
- Auslass
- 16
- Hochdruckabgasrückführung
- 18
- Brennraum
- 20
- Abgasnachbehandlungssystem
- 22
- Abgaskanal
- 24
- Oxidationskatalysator
- 26
- Partikelfilter
- 28
- Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden
- 30
- Bypass
- 32
- Dosierelement
- 34
- elektrisch heizbarer Katalysator
- 36
- Oxidationskatalysator
- 38
- Einmündung
- 40
- Turbine
- 42
- Abgasturbolader
- 44
- Waste-Gate-Kanal
- 46
- Mischelement
- 48
- Abgasrückführungskanal
- 50
- Verzweigung
- 52
- Dosiermodul
- 54
- Abgasmischer
- 56
- SCR-Katalysator
- 58
- Bypass-Mengenregelungsventil
- 58a
- Bypass-Mengenregelungsventil
- 58b
- Bypass-Mengenregelungsventil
- 58c
- Bypass-Mengenregelungsventil
- 58d
- Bypass-Mengenregelungsventil
- 60
- Steuergerät
- 62
- Regelklappe
- 64
- Aktuator
- 66
- Abgastemperatursensor
- 66a
- Abgastemperatursensor
- 68
- Differenzdrucksensor
- 68a
- Differenzdrucksensor
- 70
- Drosselklappe
- 72
- Hochdruckabgasrückführungsventil
- 74
- zweites Dosiermodul
- T
- Temperatur
- TEG
- Abgastemperatur
- TLO
- Light-Off-Temperatur
- TS1
- erste Schwellentemperatur
- TS2
- zweite Schwellentemperatur
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102008032601 A1 [0007]
