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.
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) ,
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
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.
-
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.
Das Abgasnachbehandlungssystem
Der Abgasturbolader
Alternativ kann der Verbrennungsmotor
In einer vereinfachten Form der Erfindung kann der Oxidationskatalysator
In
Im Betrieb des Verbrennungsmotors
In
Eine Entnahme des Abgasstroms für die Abgasrückführung an der Verzweigungsstelle
In
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
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