DE102018104275A1 - Exhaust gas aftertreatment system and method for exhaust aftertreatment of an internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem (20) zur Abgasnachbehandlung eines Abgases eines Verbrennungsmotors (10), insbesondere eines selbstzündenden Verbrennungsmotors. Das Abgasnachbehandlungssystem (20) weist einen Abgaskanal (22) auf, in welchem ein Oxidationskatalysator (24), ein Partikelfilter (26) sowie ein Katalysator (28) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet sind. Ferner umfasst das Abgasnachbehandlungssystem (20) einen vorzugsweise schaltbaren Bypass (30), welcher stromaufwärts des Oxidationskatalysators (24) in den Abgaskanal (22) mündet. Dabei ist an dem Bypass (30) ein Dosierelement (32) zur Eindosierung von Kraftstoff vorgesehen. Ferner ist in dem Bypass (30) ein elektrisch beheizbarer Katalysator (34) vorgesehen.
Es ist vorgesehen, dass zur Steigerung der Abgastemperatur (TEG) im Abgaskanal (22) Kraftstoff durch das Dosiermodul (32) in den Bypass (30) eindosiert wird, welcher exotherm auf einer katalytisch wirksamen Oberfläche des elektrisch beheizbaren Katalysators (34) umgesetzt wird.

Figure DE102018104275A1_0000
The invention relates to an exhaust aftertreatment system (20) for the exhaust aftertreatment of an exhaust gas of an internal combustion engine (10), in particular a self-igniting internal combustion engine. The exhaust aftertreatment system (20) has an exhaust passage (22) in which an oxidation catalyst (24), a particulate filter (26) and a catalyst (28) for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides are arranged. Furthermore, the exhaust aftertreatment system (20) comprises a preferably switchable bypass (30) which opens into the exhaust gas duct (22) upstream of the oxidation catalytic converter (24). In this case, a metering element (32) for metering in fuel is provided on the bypass (30). Furthermore, an electrically heatable catalyst (34) is provided in the bypass (30).
It is envisaged that to increase the exhaust gas temperature (T EG ) in the exhaust duct (22) fuel is metered through the metering module (32) in the bypass (30) which is exothermically reacted on a catalytically active surface of the electrically heatable catalyst (34) ,
Figure DE102018104275A1_0000

Description

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

Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellen hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Dabei stellen die Forderungen nach einem weiter sinkenden Verbrauch und die weitere Verschärfung der Abgasnormen hinsichtlich der zulässigen Stickoxid-Emissionen eine Herausforderung für die Motorenentwickler dar. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Weise über einen Drei-Wege-Katalysator, sowie 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.The current and increasingly stringent future exhaust gas legislation places high demands on the engine raw emissions and the exhaust aftertreatment of internal combustion engines. The demands for a further reduction in consumption and the further tightening of emission standards with regard to permissible nitrogen oxide emissions pose a challenge for the engine developers. In gasoline engines, the exhaust gas purification takes place in a known manner via a three-way catalyst, and optionally the three-way catalyst -Catalyst upstream and downstream further catalysts. For diesel engines exhaust gas aftertreatment systems are currently used, which have an oxidation catalyst, a catalyst for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides (SCR catalyst) and a particle filter for the separation of soot particles and optionally other catalysts. In this case, the particle filter can be provided with a coating for selective, catalytic reduction in order to combine both functionalities in one component. In order to bring the catalysts to an operating temperature after a cold start of the internal combustion engine, it is desirable to arrange the catalytic converters as closely as possible to the engine. However, this is not always possible because the space is limited. Therefore, SCR catalytic converters and soot particle filters are often arranged in a motorized underbody layer of a motor vehicle.

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.Furthermore, so-called NOx storage catalytic converters are used for exhaust gas purification to absorb the nitrogen oxides formed during the combustion of the fuel-air mixture in the combustion chambers of the internal combustion engine. However, these NOx storage catalysts must be regenerated periodically by a stoichiometric operation, resulting in increased fuel consumption. Another disadvantage of NOx storage catalysts is that at high exhaust gas temperatures no nitrogen oxides can be stored in the NOx storage catalyst. In addition, NOx storage catalysts are susceptible to aging, so that the storage capacity decreases significantly with the lifetime of the NOx storage catalyst. To compensate for the tendency to age large catalyst volumes and correspondingly high amounts of noble metals are necessary, which brings with it corresponding disadvantages in terms of space requirements and costs.

Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, welche im Folgenden als SCR-Katalysatoren bezeichnet werden, haben den Nachteil, dass eine spürbare Konvertierung von Stickoxiden erst ab einer Temperatur von ca. 170°C einsetzt. Der zur Reduktion der Stickoxide eingesetzte Ammoniak, welcher in der Regel aus einer wässrigen Harnstofflösung gewonnen wird, oxidiert bei Temperaturen oberhalb von 450°C, sodass oberhalb dieser Temperatur ebenfalls nur eine geringe Konvertierung von schädlichen Stickoxiden mittels des SCR-Katalysators möglich ist. Zudem besteht bei Motoren mit einer Niederdruckabgasrückführung die Gefahr, dass das Reduktionsmittel in die Abgasrückführung gelangt, und dort bei niedrigen Temperaturen an den Wänden des Abgaskanals anlagert. Dabei kristallisiert der Harnstoff aus der wässrigen Harnstofflösung aus, was zu Ablagerungen an den Wänden des Abgaskanals der Niederdruckabgasrückführung führen kann, welche die Funktion der Abgasrückführung einschränken können. 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.Catalysts for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides, which are referred to below as SCR catalysts, have the disadvantage that a noticeable conversion of nitrogen oxides only begins at a temperature of about 170 ° C. The ammonia used to reduce the nitrogen oxides, which is usually obtained from an aqueous urea solution, oxidized at temperatures above 450 ° C, so above this temperature also only a small conversion of harmful nitrogen oxides by means of the SCR catalyst is possible. In addition, there is the risk in engines with a low-pressure exhaust gas recirculation that the reducing agent enters the exhaust gas recirculation, where it attaches at low temperatures on the walls of the exhaust passage. In this case, the urea crystallizes out of the aqueous urea solution, which can lead to deposits on the walls of the exhaust gas channel of the low-pressure exhaust gas recirculation, which can limit the function of the exhaust gas recirculation. Furthermore, there is the risk that ammonia obtained from the aqueous urea solution, which is not converted to the SCR catalyst, passes through the low-pressure exhaust gas recirculation system into the combustion chambers of the internal combustion engine and is oxidized during combustion, as a result of which the NOx emissions increase.

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.Due to the development of increasingly efficient internal combustion engines and combustion processes, the exhaust gas temperatures are decreasing. In order to achieve high conversion rates of exhaust aftertreatment even at low engine loads and low ambient temperatures, the catalysts must be heated to their respective light-off temperature after a cold start of the internal combustion engine and kept above this light-off temperature during operation. For heating the catalysts internal engine heating methods are known in which the injection timing is shifted late. However, this can lead to increased emissions of unburned hydrocarbons, oil dilution and, associated therewith, increased wear of the internal combustion engine. In addition, engine-internal heating measures lead to a deteriorated thermal efficiency and thus to an additional consumption of the internal combustion engine. Moreover, it is known to thermally isolate at least a portion of the exhaust passage to minimize heat loss and improve the heating of the catalysts in this manner.

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.Furthermore, heating measures are known in which the catalysts are heated by a flue gas arranged on the exhaust gas duct. However, this is associated with additional components and thus a significant increase in the cost of the exhaust aftertreatment system.

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. From the DE 10 2008 032 601 A1 For example, an exhaust aftertreatment system with such an exhaust gas burner is known. A disadvantage of such a solution, however, is that an additional exhaust gas burner is needed, with which the entire exhaust gas flow of the engine must be heated, whereby high burner performance is necessary.

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.The invention is based on the object to enable a simple and rapid heating of the components of the exhaust aftertreatment and thus efficient conversion of the pollutants and in particular to minimize the emissions after a cold start of the internal combustion engine.

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.According to the invention this object is achieved by an exhaust aftertreatment system for an internal combustion engine, which is connectable to an outlet of the internal combustion engine, wherein the exhaust aftertreatment system comprises an exhaust passage in which in the flow direction of an exhaust gas of the internal combustion engine through the exhaust passage an oxidation catalyst and downstream of the oxidation catalyst, a particulate filter with a Coating for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides or a particulate filter and an SCR catalyst are arranged. In this case, a bypass is provided on the exhaust passage, which branches off downstream of the outlet of the internal combustion engine from the exhaust duct and opens upstream of the oxidation catalyst back into the exhaust duct. At the bypass, a metering element for metering fuel is arranged in the bypass, which is followed by an electrically heatable catalyst in the bypass. In this case, the oxidation catalytic converter and the particle filter with the coating for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides are preferably arranged in a position close to the engine in the exhaust gas duct. In this case, a position close to the engine is understood to mean a position in the exhaust system with a mean exhaust gas flow path of at most 80 cm, in particular of at most 50 cm, after the outlet of the internal combustion engine. The oxidation catalyst may additionally have a coating for the temporary storage of nitrogen oxides and be designed as a NOx storage catalyst. By means of a metering element for metering in fuel and a downstream, electrically heatable catalyst, the exhaust gas in the bypass can be heated substantially independently of the operating situation of the internal combustion engine. In this case, the fuel is metered into the bypass only when the electrically heatable catalyst has a sufficient temperature for the exothermic reaction of unburned fuel. The thus heated exhaust gas is then introduced upstream of the first catalytically active components in the exhaust passage to heat the exhaust aftertreatment components in the exhaust passage substantially independent of the operating situation of the internal combustion engine. As a result, emissions can be minimized. Since the exhaust gas flow through the bypass is substantially lower compared to the main exhaust gas flow and the bypass can be made with a smaller diameter than the exhaust gas channel, the electrically heatable catalyst can be designed correspondingly small volume. In this case, compared to a heating element in the exhaust duct significantly less electrical power needed for heating. In addition, the electrically heatable catalyst can be made comparatively small and inexpensive. In addition, there is the advantage over engine-internal heating measures that the risk of oil dilution is virtually eliminated by a late fuel injection. Furthermore, a regeneration of the particulate filter can be carried out without internal engine heating measures.

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

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 a preferred embodiment of the invention it is provided that the electrically heatable catalyst in the bypass downstream of an oxidation catalyst. An additional oxidation catalyst reduces the space velocity in the bypass, increasing the efficiency of the catalysts. In addition, more fuel can be exothermically reacted in the bypass and thus the heating power can be increased without increasing the catalyst volume of the electrically heated catalyst and thus its thermal inertia.

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.In an advantageous embodiment of the invention, it is provided that a turbine of an exhaust gas turbocharger is arranged in the exhaust gas passage, wherein the bypass is a wastegate channel of the exhaust gas turbocharger. An arrangement of dosing element and electrically heatable catalyst in a wastegate channel of an exhaust gas turbocharger, a particularly compact and space-optimized embodiment of the exhaust aftertreatment system can be represented, since such a waste gate channel in an exhaust gas turbocharger is usually present anyway and only the Design of the waste gate channel must be changed.

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.Alternatively, the bypass may also branch off of the exhaust passage downstream of the outlet and upstream of the turbine and back into the exhaust passage downstream of the turbine and upstream of the oxidation catalyst. By introducing the exhaust gas into the bypass upstream of the turbine, relatively warm and energy-containing exhaust gas can be introduced into the bypass, whereby the required heating power is reduced relative to a discharge point downstream of the turbine in order to enable ignition of the fuel introduced via the metering element.

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.Alternatively, an embodiment is provided in which a turbine of an exhaust gas turbocharger is arranged in the exhaust passage, wherein the bypass branches off downstream of the turbine from the exhaust duct and opens upstream of the oxidation catalyst again into the exhaust duct. By removing the exhaust gas flow downstream of the turbine, the maximum exhaust gas energy can be used to drive the turbine of the exhaust gas turbocharger and thus the response of the exhaust gas turbocharger over the above embodiments can be improved. In addition, any partial flow through the bypass can be passed through a control flap in the exhaust duct, so that a division between guided through the exhaust duct and guided through the bypass exhaust gas flow is particularly easy. In addition, a further exhaust flap can be arranged in the bypass in order to further improve the division of the exhaust gas flow and / or to further reduce the space velocity in the bypass.

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 a further improvement of the invention it is provided that a mixing element is arranged at an opening of the bypass in the exhaust passage. By means of a mixing element, improved mixing of the hot exhaust gas stream from the bypass with the exhaust gas stream from the exhaust gas channel before entry into the oxidation catalytic converter is possible.

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.In an advantageous embodiment of the invention it is provided that an exhaust gas recirculation passage of the internal combustion engine is fed from the bypass. As a result, exhaust gas recirculation can be integrated in a simple manner into the exhaust gas aftertreatment system according to the invention.

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.It is particularly preferred if the exhaust gas recirculation passage branches off from the bypass downstream of a branch of the bypass from the exhaust gas duct and upstream of the metering module. In this way, a high-pressure exhaust gas recirculation can be integrated without further design effort, whereby a compact embodiment of the exhaust aftertreatment system is possible.

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.Alternatively, it is advantageously provided that the exhaust gas recirculation passage branches off from the bypass downstream of the electrically heatable catalyst, in particular downstream of the oxidation catalyst in the bypass, and upstream of an opening of the bypass into the exhaust gas passage. By removing the recirculated exhaust gas stream downstream of the electrically heatable catalyst, the recirculated exhaust gas can be specifically conditioned. Depending on the mixture composition and heating capacity, the temperature in the exhaust gas recirculation can be raised and mixed with highly reactive exhaust components. Returned to the combustion chamber, this exhaust gas can positively influence the combustion or the raw emissions of the internal combustion engine. With a removal of the exhaust gas downstream of the oxidation catalyst, the temperature of the recirculated exhaust gas can be increased again.

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.According to the invention, a method is proposed for the exhaust aftertreatment of an internal combustion engine with an exhaust aftertreatment system according to the invention, wherein the electrically heated catalyst is heated to raise the exhaust gas temperature in the exhaust passage at least up to a first threshold temperature, in particular the light-off temperature of the electrically heatable catalyst, from which a exothermic conversion of fuel through the electrically heatable catalyst is possible. Subsequently, fuel is metered into the bypass upstream of the electrically heatable catalyst by the metering module, and this fuel exothermically reacted on a catalytically active surface of the electrically heated catalyst, wherein the heated exhaust gas is introduced at a junction upstream of the oxidation catalyst in the exhaust passage. As a result, the oxidation catalytic converter and the subsequent exhaust gas aftertreatment components can be heated to their operating temperature substantially independently of the operating state of the internal combustion engine, and thus the cold start emissions can be significantly reduced. It is preferred if the electric heating element of the electrically heatable catalyst is switched off when the electrically heatable catalyst has reached a second threshold temperature, which is above the first threshold temperature. As a result, thermal damage to the electrical heating element and / or the electrically heatable catalyst can be avoided.

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.In a further improvement of the method for exhaust aftertreatment, it is provided that the method comprises at least one further exhaust-gas-promoting measure. Among the other exhaust gas-promoting measures are in particular a reduction of the exhaust gas mass flow through the exhaust aftertreatment system, for example by throttling the intake air flow on the inlet side, an exhaust-side throttling of the exhaust gas flow, in particular by an exhaust flap or an adjustable guide geometry of the turbine of the exhaust gas turbocharger, a change in the valve opening times of the internal combustion engine and / or cylinder deactivation. Further For example, the exhaust gas temperature may be increased by increased recirculation of hot exhaust gases, by high pressure exhaust gas recirculation, and / or by in-engine exhaust gas recirculation through valve overlap of intake and exhaust valve opening times. As a result, the heating can be accelerated again and it is a total of a higher exhaust gas temperature level possible. Thus, tailpipe emissions can be further reduced.

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

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei 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.
The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Identical components or components with the same function are identified in the figures with the same reference numerals. Show it:
  • 1 a first embodiment of an internal combustion engine with an exhaust aftertreatment system according to the invention;
  • 2 a further embodiment of an internal combustion engine with an exhaust aftertreatment system according to the invention;
  • 3 A third embodiment of an internal combustion engine with an exhaust aftertreatment system according to the invention; and
  • 4 a flowchart for carrying out a method according to the invention for the exhaust aftertreatment of an internal combustion engine.

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. 1 shows an internal combustion engine 10 with an inlet 12 and an outlet 14 to which an exhaust aftertreatment system according to the invention 20 connected. The internal combustion engine 10 has a plurality of combustion chambers 18 on, in which a fuel-air mixture is burned. At the internal combustion engine 10 is a high pressure exhaust gas recirculation 16 provided, which the outlet 14 with the inlet 12 combines. In the high-pressure exhaust gas recirculation 16 is an exhaust gas recirculation valve 72 arranged, via which the amount of recirculated exhaust gas can be controlled. In the high-pressure exhaust gas recirculation 16 can be arranged, not shown, high-pressure exhaust gas recirculation cooler, which is preferably bypassed via a bypass, also not shown. The internal combustion engine is preferred as a self-igniting internal combustion engine 10 formed according to the diesel principle.

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.The exhaust aftertreatment system 20 includes an exhaust passage 22 in which in the flow direction of an exhaust gas of the internal combustion engine 10 through the exhaust duct 22 a turbine 40 an exhaust gas turbocharger 42 and downstream of the turbine 40 a plurality of catalysts 24 . 26 . 56 is arranged. As the first exhaust aftertreatment component is in the exhaust passage 22 a close-coupled oxidation catalyst 24 arranged, which a close-coupled particle filter 26 with a coating 28 for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides is prefixed. The particle filter 26 with the coating represents a first SCR catalyst for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides. Downstream of the oxidation catalyst 24 and upstream of the particulate filter 26 is a first dosing module 52 for dosing a reducing agent, in particular liquid urea solution, in the exhaust gas duct 22 arranged. Downstream of the particulate filter 26 with the coating 28 For the selective catalytic reduction of nitrogen oxides further catalysts, in particular one or more further, in 2 and 3 exemplified, SCR catalysts 56 to reduce nitrogen oxide emissions in the exhaust duct 22 be arranged. Downstream of the oxidation catalyst 24 and upstream of the particulate filter 26 with the coating 28 for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides, an exhaust gas mixer 54 be provided to an improved mixing of the metered reducing agent with the exhaust gas of the internal combustion engine 10 to enable. Alternatively, the particulate filter 26 Also be carried out as an uncoated particulate filter, which is an SCR catalyst 56 is downstream.

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.The turbocharger 42 has a waste gate channel 44 on which upstream of the turbine 40 from the exhaust duct 22 branches off and downstream of the turbine 40 and upstream of the oxidation catalyst 24 back in the exhaust duct 22 opens. It is at the junction 50 at which the bypass 30 from the exhaust duct 22 branches off, a control flap 62 provided, which via an actuator 64 is adjustable. This control flap 62 can bypass 30 lock, so that the entire exhaust gas flow of the internal combustion engine 10 through the exhaust duct 22 is directed. Furthermore, the control flap 62 the exhaust duct 22 at least partially block, so that at least a partial flow of the exhaust gas through the bypass 30 is directed. At the bypass 30 is a dosing element 32 for metering fuel into the bypass 30 intended. Downstream of the metering element 32 are in the bypass 30 an electrically heatable catalyst 34 and an oxidation catalyst 36 arranged to exotherm the fuel injected by the metering element in the bypass 30 on the catalytically active surfaces of the catalysts 34 . 36 exothermic conversion. Downstream of the oxidation catalyst 36 the bypass opens 30 back in the exhaust duct 22 , where the confluence 38 of the bypass downstream of the turbine 40 the exhaust gas turbocharger 42 and upstream of the oxidation catalyst 24 lies. At the junction 38 is a mixing element 46 provided to the exhaust flow from the bypass 30 with the exhaust gas flow in the exhaust duct 22 to mix and thus for improved heating and a more homogeneous exhaust gas composition of the exhaust gas in the exhaust passage 22 to care. The mixing element 46 can be carried out adjustable to selectively, in particular operating point-dependent, a particularly high degree of mixing or a low flow resistance in the exhaust duct 22 to realize. In the exhaust duct 22 are additional sensors 66 . 68 , in particular an exhaust gas temperature sensor 66 and a differential pressure sensor 68 provided, which not shown signal lines with a control unit 60 of the internal combustion engine 10 are connected. Particularly preferred is when both in the exhaust passage 22 as well as in the bypass 30 one exhaust gas temperature sensor each 66 . 66a and in each case a differential pressure sensor 68 . 68a are arranged to the ratio of the mass flow through the bypass 30 and the exhaust duct 22 and to determine the necessary heating power.

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.Alternatively, the internal combustion engine 10 cooperate as part of a hybrid system with an electric drive motor and in particular be connected via a common transmission with a drive train of a motor vehicle.

In einer vereinfachten Form der Erfindung kann der Oxidationskatalysator 36 im Bypass 30 auch entfallen.In a simplified form of the invention, the oxidation catalyst 36 in the bypass 30 also omitted.

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.In 2 is another embodiment of an exhaust aftertreatment system according to the invention 20 for an internal combustion engine 10 shown. With essentially the same structure as 1 executed, the bypass branches 30 in this embodiment, downstream of the turbine 40 the exhaust gas turbocharger 42 from the exhaust duct 22 from and flows upstream of the oxidation catalyst 24 back in the exhaust duct 22 , The turbocharger 42 is preferably as an exhaust gas turbocharger 42 with adjustable guide geometry (VTG loader). Further, downstream of the particulate filter 26 with the coating 28 for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides on the exhaust gas channel 22 a second dosing module 74 provided, which a second SCR catalyst 56 is downstream.

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 operation of the internal combustion engine 10 It may, in particular after a cold start or after a low load phase or a purely electric drive phase of a hybrid drive, come to operating conditions in which the catalysts 24 . 26 . 56 do not have the necessary for the conversion of pollutants in the exhaust gas temperature. Is the temperature in the exhaust channel 22 , in particular on the oxidation catalyst 24 , below a threshold temperature, becomes the electrically heatable catalyst 34 electrically heated in the bypass at least up to its light-off temperature and then by means of the metering element 32 Fuel in the bypass 30 injected, so that this fuel on the catalytically active surface of the electrically heated catalyst 34 is exothermic and the exhaust gas in the bypass 30 heated. This heated exhaust gas gets over the confluence 38 of the bypass 30 in the exhaust duct 22 and can thus the exhaust aftertreatment components in the exhaust passage 22 to heat up to their respective operating temperature or regeneration temperature. Thus, internal engine heating measures such as a late post-injection in a diesel engine, which increases the risk of dilution of the engine oil with the fuel and thus increased wear of the engine 10 be avoided, and it is possible the exhaust aftertreatment components 24 . 26 . 56 in the exhaust duct 22 essentially independent of the operating state of the internal combustion engine 10 to heat up to their operating temperature or regeneration temperature. Thus, the emissions can not only in the cold start phase, but also in a regeneration of the particulate filter 26 be reduced. In order to achieve a sufficient pressure gradient, so that the exhaust gas flow at least partially through the bypass 30 is directed, the control flap 62 the exhaust duct 22 at least partially obstruct. Furthermore, the control flap 62 be arranged so that they in at least one operating state of the internal combustion engine 10 the bypass 30 closes to the flow conditions in the exhaust duct 22 to optimize.

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.In 3 is another embodiment of an exhaust aftertreatment system according to the invention 20 shown. With essentially the same structure as 1 and 2 executed, in this embodiment, one or more exhaust gas recirculation channels 48 provided, which from the bypass 30 branch off and on the inlet side with the internal combustion engine 10 are connected. It is in the exhaust gas recirculation 16 an exhaust gas recirculation valve 72 provided, via which the amount of recirculated exhaust gas can be controlled or regulated. Here are at the bypass 30 four different, with I to IV designated branching points provided, to which an exhaust gas recirculation passage 48 from the bypass 30 can branch off. In addition, downstream of the oxidation catalyst 36 and upstream of the confluence 38 a bypass flow control valve 58 . 58a . 58b . 58c . 58d provided, with which the amount of recirculated exhaust gas can be influenced. When using appropriate bypass flow control valves 58a . 58b . 58c . 58d can the exhaust gas recirculation valve 72 in the high pressure exhaust gas recirculation 16 omitted. The branch point I essentially corresponds to a known one High-pressure exhaust gas recirculation 16 , The branch point II downstream of the metering element 32 and upstream of the electrically heatable catalyst 34 allows enrichment of the recirculated exhaust gas with fuel, whereby a substantially homogeneous fuel-air mixture can be produced, which is the fresh air before entering the combustion chamber 18 can be added. This can reduce the combustion process in the combustion chambers 18 of the internal combustion engine 10 influence positively. Such exhaust gas recirculation can be carried out not only during a heating phase, in particular after a cold start, but also in normal operation, the emissions of the internal combustion engine 10 influence positively.

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.A removal of the exhaust gas flow for the exhaust gas recirculation at the branching point III has the advantage that the recirculated exhaust gas can be specifically conditioned. In addition, the recirculated exhaust gas may contain highly reactive molecules when the recirculated exhaust gas flow has a combustion air ratio λ <1. Returned to the combustion chamber 18 For example, these highly reactive molecules can be used for combustion or for raw emissions of the internal combustion engine 10 influence positively. An extraction at the branch point IV downstream of the oxidation catalyst 36 in the bypass allows the return of a particularly hot exhaust gas, which is chemically inactive, resulting in certain operating situations also benefits for the combustion or the raw emissions of the engine 10 can result. It is preferably at each of the branching points I - IV a shut-off valve is provided to selectively operate the exhaust gas recirculation 16 to enable.

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.In 4 is a flowchart for a method according to the invention for exhaust aftertreatment shown. In a first process step <100> at least one temperature T determined or calculated in the exhaust system. This temperature T is in a step < 110 > with a threshold temperature T S1 compared, wherein at a temperature below the threshold temperature T S1 an actuator 64 an actuator 62 at the junction 50 of the bypass 30 from the exhaust duct 22 in a method step <120> adjusted such that an exhaust gas stream of the internal combustion engine 10 at least partially through the bypass 30 the exhaust duct 22 is directed. In one step < 130 > becomes the electrically heatable catalyst 34 electrically heated by a heating element until the catalytically active surface of the electrically heatable catalyst 34 at least their light-off temperature T LO has reached. In one step < 140 > gets through the dosing element 32 Fuel in the bypass 30 upstream of the electrically heatable catalyst 34 injected and at the catalytically active surface of the electrically heatable catalyst 34 implemented exothermically. Has the oxidation catalyst 36 In the bypass also reaches its light-off temperature, the fuel is also implemented on its catalytically active surface, so that the exhaust gas flow is further heated. In this process step < 150 > can the electric heating element of the electrically heated catalyst 34 remain active, so that in parallel an electrical and a chemical heating of the exhaust gas in the bypass take place. This hot exhaust gas flows over the junction 38 in the exhaust duct 22 , This will be in the exhaust duct 22 arranged exhaust aftertreatment components 24 . 26 . 56 heated. Has the oxidation catalyst 24 in the exhaust duct 22 reaches its operating temperature, the actuator becomes 62 through the actuator in one step < 160 > Adjusted again so that the exhaust gas of the internal combustion engine 10 through the exhaust duct 22 flows and the bypass 30 essentially from the exhaust gas flow of the internal combustion engine 10 is decoupled. Furthermore, the control strategy by appropriate sensors 66 . 66a . 68 . 68a in the bypass 30 and in the exhaust duct 22 an enthalpy consideration and / or a heat capacity analysis of the components of the exhaust aftertreatment system 20 be refined, creating a more precise feedforward control of the exhaust gas temperature T EC on the catalysts 24 . 28 is possible.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Verbrennungsmotorinternal combustion engine
1212
Einlassinlet
1414
Auslassoutlet
1616
HochdruckabgasrückführungHigh-pressure exhaust gas recirculation
1818
Brennraum combustion chamber
2020
Abgasnachbehandlungssystemaftertreatment system
2222
Abgaskanalexhaust duct
2424
Oxidationskatalysatoroxidation catalyst
2626
Partikelfilterparticulate Filter
2828
Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden Coating for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides
3030
Bypassbypass
3232
Dosierelementmetering
3434
elektrisch heizbarer Katalysatorelectrically heatable catalyst
3636
Oxidationskatalysatoroxidation catalyst
3838
Einmündung junction
4040
Turbineturbine
4242
Abgasturboladerturbocharger
4444
Waste-Gate-KanalWaste gate channel
46 46
Mischelementmixing element
4848
Abgasrückführungskanal Exhaust gas recirculation passage
5050
Verzweigungbranch
5252
Dosiermoduldosing
5454
Abgasmischerexhaust mixer
5656
SCR-KatalysatorSCR catalyst
5858
Bypass-Mengenregelungsventil Bypass flow control valve
58a58a
Bypass-MengenregelungsventilBypass flow control valve
58b58b
Bypass-MengenregelungsventilBypass flow control valve
58c58c
Bypass-MengenregelungsventilBypass flow control valve
58d58d
Bypass-Mengenregelungsventil Bypass flow control valve
6060
Steuergerätcontrol unit
6262
Regelklappecontrol flap
6464
Aktuatoractuator
6666
AbgastemperatursensorExhaust gas temperature sensor
66a66a
AbgastemperatursensorExhaust gas temperature sensor
6868
DifferenzdrucksensorDifferential Pressure Sensor
68a68a
Differenzdrucksensor Differential Pressure Sensor
7070
Drosselklappethrottle
7272
HochdruckabgasrückführungsventilHigh-pressure exhaust gas recirculation valve
7474
zweites Dosiermodul second dosing module
TT
Temperaturtemperature
TEG T EC
Abgastemperaturexhaust gas temperature
TLO T LO
Light-Off-TemperaturLight-off temperature
TS1 T S1
erste Schwellentemperaturfirst threshold temperature
TS2 T S2
zweite Schwellentemperatursecond threshold temperature

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102008032601 A1 [0007]DE 102008032601 A1 [0007]

Claims (10)

Abgasnachbehandlungssystem (20) für einen Verbrennungsmotor (10), welches mit einem Auslass (14) des Verbrennungsmotors (10) verbindbar ist, wobei das Abgasnachbehandlungssystem (20) einen Abgaskanal (22) aufweist, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors (10) ein Oxidationskatalysator (24) und stromabwärts des Oxidationskatalysators (24) ein Partikelfilter (26) mit einer Beschichtung (28) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden oder ein Partikelfilter (26) und ein SCR-Katalysator (56) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Abgaskanal (22) ein Bypass (30) vorgesehen ist, welcher stromabwärts des Auslasses (14) des Verbrennungsmotors (10) aus dem Abgaskanal (22) abzweigt und stromaufwärts des Oxidationskatalysators (24) wieder in den Abgaskanal (22) mündet, wobei an dem Bypass (30) ein Dosierelement (32) zur Eindosierung von Kraftstoff angeordnet ist, welchem ein elektrisch beheizbarer Katalysator (34) nachgeschaltet ist.Aftertreatment system (20) for an internal combustion engine (10) which is connectable to an outlet (14) of the internal combustion engine (10), wherein the exhaust aftertreatment system (20) has an exhaust gas duct (22) in which in the flow direction of an exhaust gas of the internal combustion engine (10) an oxidation catalytic converter (24) and downstream of the oxidation catalytic converter (24) a particle filter (26) with a coating (28) for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides or a particle filter (26) and an SCR catalytic converter (56) are arranged, characterized a bypass (30) is provided on the exhaust gas duct (22) which branches off from the exhaust gas duct (22) downstream of the outlet (14) of the internal combustion engine (10) and returns into the exhaust gas duct (22) upstream of the oxidation catalytic converter (24), wherein at the bypass (30) a metering element (32) for metering fuel is arranged, which is followed by an electrically heatable catalyst (34). Abgasnachbehandlungssystem (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem elektrisch beheizbaren Katalysator (34) im Bypass (30) ein Oxidationskatalysator (36) nachgeschaltet ist.Exhaust after-treatment system (20) according to Claim 1 , characterized in that the electrically heatable catalyst (34) in the bypass (30) an oxidation catalyst (36) is connected downstream. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgaskanal (22) eine Turbine (40) eines Abgasturboladers (42) angeordnet ist, wobei der Bypass (30) ein Waste-Gate-Kanal (44) des Abgasturboladers (42) ist.Exhaust after-treatment system (20) according to Claim 1 or 2 , characterized in that in the exhaust passage (22) a turbine (40) of an exhaust gas turbocharger (42) is arranged, wherein the bypass (30) is a waste gate channel (44) of the exhaust gas turbocharger (42). Abgasnachbehandlungssystem (20) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei im Abgaskanal (22) eine Turbine (40) eines Abgasturboladers (42) angeordnet ist, wobei der Bypass (30) stromabwärts der Turbine (40) aus dem Abgaskanal (22) abzweigt und stromaufwärts des Oxidationskatalysators (24) wieder in den Abgaskanal (22) mündet.Exhaust after-treatment system (20) according to one of Claims 1 or 2 in which a turbine (40) of an exhaust-gas turbocharger (42) is arranged in the exhaust-gas duct (22), the bypass (30) branching off from the exhaust-gas duct (22) downstream of the turbine (40) and back into the exhaust-gas duct upstream of the oxidation catalytic converter (24) (22) opens. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Einmündung (38) des Bypasses (30) in den Abgaskanal (22) ein vorzugsweise verstellbares Mischelement (46) angeordnet ist.Exhaust after-treatment system (20) according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that at a junction (38) of the bypass (30) in the exhaust passage (22) a preferably adjustable mixing element (46) is arranged. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Bypass (30) mindestens ein Abgasrückführungskanal (48) gespeist wird.Exhaust after-treatment system (20) according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that from the bypass (30) at least one exhaust gas recirculation passage (48) is fed. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasrückführungskanal (48) aus dem Bypass (30) stromabwärts einer Verzweigung (50) des Bypasses (30) aus dem Abgaskanal (22) und stromaufwärts des Dosierelements (32) abzweigt.Exhaust after-treatment system (20) according to Claim 6 characterized in that the exhaust gas recirculation passage (48) branches off the bypass (30) downstream of a branch (50) of the bypass (30) from the exhaust passage (22) and upstream of the metering element (32). Abgasnachbehandlungssystem (20) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasrückführungskanal (48) aus dem Bypass (30) stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators (34) und stromaufwärts einer Einmündung (38) des Bypasses (30) in den Abgaskanal (22) abzweigt.Exhaust after-treatment system (20) according to Claim 6 or 7 , characterized in that the exhaust gas recirculation passage (48) branches off from the bypass (30) downstream of the electrically heatable catalyst (34) and upstream of a junction (38) of the bypass (30) into the exhaust passage (22). Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) mit einem Abgasnachbehandlungssystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anhebung der Abgastemperatur im Abgaskanal (22) der elektrisch beheizbare Katalysator (34) mindestens bis auf eine erste Schwellentemperatur (TS1) aufgeheizt wird, ab welcher eine exotherme Umsetzung von Kraftstoff durch den elektrisch beheizbaren Katalysator (34) möglich ist, und durch das Dosierelement (32) Kraftstoff in den Bypass (30) stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators (34) eindosiert wird, welcher exotherm auf diesem Katalysator (34) umgesetzt wird, wobei das aufgeheizte Abgas an einer Einmündung (38) stromaufwärts des Oxidationskatalysators (24) in den Abgaskanal (22) eingeleitet wird.A method for exhaust aftertreatment of an internal combustion engine (10) with an exhaust aftertreatment system (20) according to one of Claims 1 to 8th , characterized in that for raising the exhaust gas temperature in the exhaust passage (22) of the electrically heatable catalyst (34) is heated at least up to a first threshold temperature (T S1 ), from which an exothermic conversion of fuel through the electrically heatable catalyst (34) possible is metered and by the metering element (32) fuel in the bypass (30) upstream of the electrically heatable catalyst (34) which is exothermically reacted on this catalyst (34), wherein the heated exhaust gas at an orifice (38) upstream of the Oxidation catalyst (24) is introduced into the exhaust passage (22). Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens eine weitere abgastemperaturfördernde Maßnahme, insbesondere eine Reduzierung des Abgasmassenstroms durch das Abgasnachbehandlungssystem (20) und/oder eine Rückführung heißen Abgases durch eine Hochdruck-Abgasrückführung (18), umfasst.Process for exhaust aftertreatment after Claim 9 , characterized in that the method at least one further exhaust gas temperature-promoting measure, in particular a reduction of the exhaust gas mass flow through the exhaust aftertreatment system (20) and / or a return of hot exhaust gas by a high-pressure exhaust gas recirculation (18).
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