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Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Abgasnachbehandlungssystems.
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Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellen hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Dabei stellen die Forderungen nach einem weiter sinkenden Verbrauch und die weitere Verschärfung der Abgasnormen hinsichtlich der zulässigen Stickoxid-Emissionen eine Herausforderung für die Motorenentwickler dar. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Weise über einen Drei-Wege-Katalysator, sowie dem Drei-Wege-Katalysator vor- und nachgeschaltete weitere Katalysatoren. Bei Dieselmotoren finden aktuell Abgasnachbehandlungssysteme Verwendung, welche einen Oxidationskatalysator, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren aufweisen. Als Reduktionsmittel wird dabei bevorzugt Ammoniak verwendet. Weil der Umgang mit reinem Ammoniak aufwendig ist, wird bei Fahrzeugen üblicherweise eine synthetische, wässrige Harnstofflösung verwendet, die in einer dem SCR-Katalysator vorgeschalteten Mischeinrichtung mit dem heißen Abgasstrom vermischt wird. Durch diese Vermischung wird die wässrige Harnstofflösung erhitzt, wobei die wässrige Harnstofflösung Ammoniak im Abgaskanal freisetzt. Eine handelsübliche, wässrige Harnstofflösung setzt sich im Allgemeinen aus 32,5 % Harnstoff und 67,5 % Wasser zusammen.
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Jede Vorrichtung zur katalytischen Abgasreinigung benötigt zum Erreichen einer Wirksamkeit das Überschreiten einer Mindesttemperatur, der sogenannten Light-off-Temperatur. Bei einem Kaltstart eines Kraftfahrzeugs liegen der Verbrennungsmotor und die Komponenten zur Abgasnachbehandlung im Temperaturniveau etwa auf Umgebungstemperatur. Auch mit einem hohen Energieeintrag in die Abgasanlage müssen zunächst die thermisch träge Masse der Abgasanlage überwunden und die Strahlungs- beziehungsweise Konvektionsverluste kompensiert werden, um zumindest eine Teilwirksamkeit der Abgasnachbehandlungskomponenten zu erreichen. In dieser Zeit werden die Rohemissionen des Verbrennungsmotors weitgehend ungereinigt emittiert. Abhängig vom Energieeintrag in die Abgasanlage kann dieser Zeitraum verkürzt werden, jedoch niemals auf Null abgesenkt werden.
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Beim Dieselmotor ist bekannt, einem SCR-Abgasreinigungssystem einen NOx-Speicherkat vorzuschalten, der bereits im Bereich 120 - 200°C eine gute Konvertierungsleistung erbringt, während der SCR-Katalysator erst ab ca. 180°C eine Konvertierung von Stickoxid-Emissionen ermöglicht. Die Abgasnachbehandlungskomponenten können einzeln oder insgesamt während ihrer Aufheizphase, insbesondere bis zur jeweiligen Light-off-Temperatur durch elektrische Heizelemente oder thermische Abgasbrenner unterstützt werden.
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Aus der
DE 10 2016 001 197 B3 ist ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor bekannt, bei welchem der Abgaskanal stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors und stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers einen ersten Abgaskanal und einen zweiten Abgaskanal verzweigt, wobei ein Abgasstrom durch die beiden Abgaskanäle mittels Abgasklappen gesteuert werden kann, wobei in einem der Abgaskanäle ein NOx-Speicherkatalysator angeordnet ist. Dabei kann der NOx-Speicherkatalysator nach einem Kaltstart besonders schnell auf seine Funktionstemperatur gebracht werden, um die NOx-Emissionen in der Kaltstartphase zu verringern.
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Aus der
DE 10 2017 214 572 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem bekannt, bei dem in Strömungsrichtung eines Abgases durch eine Abgasanlage des Verbrennungsmotors ein Oxidationskatalysator, stromabwärts des Oxidationskatalysators ein Niedertemperatur-Stickoxid-Speicherkatalysator und weiter stromabwärts ein Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung angeordnet sind.
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Darüber hinaus offenbart die
US 2011 061 371 A1 einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem mit einer Abgasanlage, in welcher ein NOx-Speicherkatalysator und ein HC-Speicherkatalysator angeordnet sind, wobei eine Tankentlüftung des Kraftstofftanks mit dem Abgaskanal verbunden ist, und wobei die unverbrannten Kohlenwasserstoffe aus der Tankentlüftung genutzt werden um den NOx-Speicherkatalysator zu regenerieren.
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Ferner ist aus dem Stand der Technik bekannt, eine oder mehrere Abgasnachbehandlungskomponenten stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers anzuordnen, um die vor der Turbine höhere Abgastemperatur für ein schnelleres Aufheizen auf die Light-Off-Temperatur dieser Abgasnachbehandlungskomponente zu nutzen. Ebenso bekannt sind Isolierungen zur Verminderung der Wärmeverluste an den Wänden der Abgasanlage. Alle diese Vorrichtungen benötigen einen gewissen Zeitraum bis zur Aktivierung. In diesem Zeitraum kann eine besonders schadstoffreiche Fahrweise bereits zu einem Überschreiten der zulässigen Emissionsgrenzwerte einer RDE-Fahrt (Real Driving Emissions) führen, sodass selbst bei einer anschließend 100 % Konvertierungsrate der Gesamtfahrzyklus als „nicht bestanden“ gewertet werden müsste. Besonders kritisch sind hier die NOx-Emissionen zu bewerten, die mit steigender Fahrdynamik überproportional zunehmen.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Abgasanlage des Verbrennungsmotors derart weiterzuentwickeln, dass eine verbesserte Abgasnachbehandlung möglich ist und insbesondere die Stickoxid-Emissionen nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors verringert werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, umfassend eine Abgasanlage mit einem ersten Abgaskanal, in welchem ein erster Katalysator und eine Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet sind, gelöst. Dabei ist in dem ersten Abgaskanal stromabwärts dieser Abgasnachbehandlungskomponente eine Abgasklappe angeordnet. Ferner ist eine Abgasrückführung vorgesehen, welche an einer ersten Verzweigung stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponenten und stromaufwärts der Abgasklappe aus dem ersten Abgaskanal abzweigt und den ersten Abgaskanal mit einem Ansaugkanal eines Luftversorgungssystems des Verbrennungsmotors verbindet. In einem Abgasrückführungskanal der Abgasrückführung ist ein Abgasrückführungskühler angeordnet, wobei stromabwärts des Abgasrückführungskühlers am Abgasrückführungskanal eine zweite Verzweigung vorgesehen ist, an welcher ein zweiter Abgaskanal abzweigt, welcher den Abgasrückführungskanal mit dem ersten Abgaskanal stromabwärts der Abgasklappe verbindet, wobei in dem Abgasrückführungskanal stromabwärts der ersten Verzweigung und stromaufwärts der zweiten Verzweigung ein Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator angeordnet ist. Unter einem Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator ist in diesem Zusammenhang ein Speicherkatalysator zu verstehen, welcher in einem Temperaturbereich von 40°C - 100°C eine hohe NOx-Speicherfähigkeit aufweist, jedoch bei höheren Temperaturen die eingelagerten Stickoxide wieder unkonvertiert emittiert. Ein solcher Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator kann daher bereits sehr zeitnah nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors eine gute, jedoch nur temporäre NOx-Minderung ermöglichen. Durch die Kombination mit einem Partikelfilter mit SCR-Beschichtung oder einem SCR-Katalysator, welcher während der Kaltstartphase auf seine Light-Off-Temperatur aufgeheizt wird und diese erreicht, bevor es zu einer Desorption der Stickoxide aus dem Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator kommt, können die Stickoxidemissionen in der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors deutlich verringert werden. Durch die Position des Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysators in dem ersten Abschnitt des Abgasrückführungskanals wird sichergestellt, dass der Wärmeeintrag des Abgases zunächst die Abgasnachbehandlungskomponenten zur selektiven, katalytischen Reduktion sowie gegebenenfalls einen weiteren NOx-Speicherkatalysator aufheizt, das Aufheizen des Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysators jedoch begrenzt bleibt, um ein Überschreiten der oberen Grenztemperatur für diesen Katalysator und eine damit verbundene Desorption der eingespeicherten Stickoxide zu vermeiden. Ferner kann der Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator an dieser Position auf einfache Art und Weise durch Öffnen der Abgasklappe aus dem Abgasstrom entkoppelt werden, sobald eine weitere Abgasnachbehandlungskomponente zur Reduzierung der Stickoxidemissionen ihre Betriebstemperatur erreicht hat. Somit kann die Funktion des Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysators gezielt auf die Kaltstartphase des Verbrennungsmotors beschränkt werden, in welcher kein weiterer Katalysator zur Verfügung steht, um die Stickoxidemissionen zu verringern.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Merkmale sind vorteilhafte Weiterentwicklungen und nicht triviale Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Abgasnachbehandlungssystems möglich.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem ersten Katalysator ein Heizelement vorgeschaltet ist. Durch das Heizelement können der erste Katalysator sowie die stromabwärts des ersten Katalysators angeordneten weiteren Abgasnachbehandlungskomponenten im Wesentlichen unabhängig vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors auf ihre Light-Off-Temperatur aufgeheizt werden. Unter „im Wesentlichen unabhängig vom Abgasstrom“ ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass das Abgas zwar als Trägerstrom zur konvektiven Wärmeübertragung von dem Heizelement auf die entsprechende Abgasnachbehandlungskomponente genutzt wird, die zum Heizen genutzte Energie jedoch primär aus dem Heizelement und nicht oder nur zu geringem Anteil aus dem Abgas des Verbrennungsmotors stammt. Ein Trägerstrom kann notwendig sein, um bei einem elektrischen Heizelement eine punktuelle Überhitzung und somit ein Abschalten oder eine thermische Schädigung des elektrischen Heizelements zu verhindern. Bei einem Heizelement in Form eines Abgasbrenners bildet das Abgas des Brenners selbst den Trägerstrom aus.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das Heizelement als ein elektrisch beheizbares Heizelement, insbesondere als eine elektrische Heizscheibe, ausgebildet ist. Durch ein elektrisches Heizelement kann auf einen zusätzlichen Abgasbrenner verzichtet werden, wodurch die Kosten für einen solchen Brenner vermieden werden. Zudem sind keine zusätzlichen Leitungen für eine Brennstoffversorgung des Abgasbrenners notwendig. Ein elektrisches Heizelement kann über vergleichsweise einfache elektrische Leitungen angeschlossen werden. Ein elektrisches Heizelement in Form einer dem Partikelfilter vorgeschalteten Heizscheibe oder eines elektrisch beheizbaren Filtersubstrats kann zudem die Regeneration des Partikelfilters unterstützen, sodass in diesem Falle weniger oder kürzere motorische Heizmaßnahmen möglich sind, um die Regeneration des Partikelfilters einzuleiten.
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Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Heizelement in Form eines Abgasbrenners ausgebildet ist. Da der Abgasbrenner mit seinem Abgas selbst einen Trägerstrom ausbildet, ist eine besonders einfache und wirkungsvolle konvektive Wärmeübertragung auf die entsprechenden Komponenten der Abgasnachbehandlung, insbesondere des ersten Katalysators, möglich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator in dem Abgasrückführungskanal stromabwärts der Verzweigung und stromaufwärts des Abgasrückführungskühlers angeordnet ist. Dadurch ist es möglich, den Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator beim Kaltstart in den Abgasstrom einzukoppeln und ihn bei Erreichen seiner oberen Grenztemperatur wieder aus dem Abgasstrom auszukoppeln.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass in dem Abgasrückführungskanal stromabwärts der Verzweigung und stromaufwärts des Abgasrückführungskühlers ein Filter angeordnet ist. Der Filter dient primär dazu, Partikel aus dem zurückgeführten Abgas zu filtern, welche durch das Herausbrechen von Teilen des Monolithen des Filterkörpers des Partikelfilters entstehen können. Diese Partikel könnten ansonsten den Verdichter des Abgasturboladers beschädigen, wenn sie über die Niederdruck-Abgasrückführung in den Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors gelangen würden. Durch das Vorschalten des Filters vor den Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator kann zudem verhindert werden, dass sich eine Rußschicht auf dem Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator ablagert und somit die Funktion dieses Katalysators einschränkt. Dadurch wird die Dauerhaltbarkeit des Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysators erhöht.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator in den Filter integriert ist. Somit kann ein Bauteil eingespart werden, was die Montage des Abgasnachbehandlungssystems erleichtert. Rußpartikel, welche sich auf dem Filter ablagern, ändern das Gegendruckverhalten des Filters selbst. Darüber kann eine Diagnose des Partikelfilters hinsichtlich einer Schädigung durchgeführt werden, sodass der Filter zusätzlich zu seiner Filterfunktion eine Funktionsüberprüfung des Partikelfilters ermöglicht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass der erste Katalysator als NOx-Speicherkatalysator ausgeführt ist. Ein NOx-Speicherkatalysator kann ab etwa 90 - 100°C Stickoxide zurückhalten und benötigt damit geringere Temperaturen als ein SCR-Katalysator. Somit kann ein NOx-Speicherkatalysator in vergleichsweise kurzer Zeit auf seine Betriebstemperatur aufgeheizt werden. Durch die Anordnung des NOx-Speicherkatalysators stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden und somit stromaufwärts des Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysators erwärmt er sich zudem schneller als der Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator. Somit ist sichergestellt, dass der NOx-Speicherkatalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat und Stickoxide wirksam zurückhalten kann, bevor der Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator seine obere Grenztemperatur erreicht und die darin eingespeicherten Stickoxide desorbieren.
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Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass der erste Katalysator als Oxidationskatalysator ausgeführt ist. Durch einen Oxidationskatalysator ist die exotherme Umsetzung von unverbrannten Kraftstoffbestandteilen möglich. Durch diese exotherme Umsetzung kann das Aufheizen der SCR-Beschichtung auf dem Partikelfilter oder des SCR-Katalysators unterstützt werden, damit der SCR-Katalysator seine Light-Off-Temperatur erreicht, bevor der Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator seine obere Grenztemperatur erreicht und die eingelagerten Stickoxide desorbieren. Somit ist sichergestellt, dass zu jedem Zeitpunkt zumindest eine der NOx-reduzierenden Abgasnachbehandlungskomponenten ihre Betriebstemperatur erreicht hat und Stickoxidemissionen wirksam verringert werden können.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abgasnachbehandlungskomponenten zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ein SCR-Katalysator oder ein Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung ist. Ein Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung vereint die Funktionalität eines Partikelfilters mit der Funktionalität eines SCR-Katalysators. Dadurch kann gegebenenfalls auf einen zusätzlichen SCR-Katalysator verzichtet werden, was die Kosten für das Abgasnachbehandlungssystem reduziert und die Montage vereinfacht. Durch die Beschichtung des Partikelfilters erhöht sich der Abgasgegendruck, wodurch bei gleichen Betriebsbedingungen kürzere Regenerationsintervalle notwendig sind. Zusätzlich zum Partikelfilter mit der SCR-Beschichtung kann ein weiterer SCR-Katalysator vorgesehen sein, um durch unterschiedliche Positionen in der Abgasanlage den Funktionsbereich, in welchem wenigstens einer der SCR-Katalysatoren im notwendigen Temperaturbereich betrieben wird, zu vergrößern. Dabei sind der Partikelfilter mit der SCR-Beschichtung vorzugsweise in einer motornahen Position und der SCR-Katalysator in einer motorfernen Unterbodenposition des Kraftfahrzeuges angeordnet. Unter einer motornahen Position ist in diesem Zusammenhang eine Position in der Abgasanlage mit einer Abgaslauflänge von weniger als 80 cm ab dem Auslass des Verbrennungsmotors zu verstehen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass in dem Abgasrückführungskanal stromabwärts der zweiten Verzweigung ein Steuerelement, insbesondere ein Abgasrückführungsventil, angeordnet ist, mit welchem ein Gasfluss durch den Abgasrückführungskanal und/oder den zweiten Abgaskanal steuerbar ist. Durch ein solches Steuerelement kann auf einfache Art und Weise zwischen einem Heizbetrieb, in welchem das Abgas über den zweiten Abgaskanal wieder dem ersten Abgaskanal zugeführt wird, und einem Abgasrückführungsbetrieb, in welchem das Abgas der Frischluft im Ansaugkanal zugemischt wird, umgeschaltet werden. Damit kann die Abgasnachbehandlung durch die entsprechende Betriebsart in Abhängigkeit von der Abgastemperatur optimiert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass am Abgaskanal stromabwärts der ersten Verzweigung und stromaufwärts der Abgasklappe eine dritte Verzweigung vorgesehen ist, an welcher ein Bypasskanal aus dem Abgaskanal abzweigt, welcher stromabwärts des Abgasrückführungskühlers und stromaufwärts der zweiten Verzweigung in den Abgasrückführungskanal mündet. Durch einen Bypasskanal für den Abgasrückführungskühler ergeben sich zusätzliche Betriebsmöglichkeiten. Zum einen kann die Abgasrückführung zeitlich früher und bei niedrigeren Temperaturen aktiviert werden, wenn das Abgas am Abgasrückführungskühler vorbei zurückgeführt wird, um die Gefahr von Kondensat in der Abgasrückführung zu verringern. Ferner kann bei hoher Abgastemperatur das Abgas gekühlt zurückgeführt werden, um die Effizienz der Abgasrückführung zu erhöhen.
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Bevorzugt ist dabei, wenn an der Einmündung des Bypasskanals eine schaltbare Abgasklappe angeordnet ist, mit welcher ein Abgasstrom wahlweise durch den Abgasrückführungskühler oder durch den Bypasskanal in den Abgasrückführungskanal eingeleitet wird. Durch eine schaltbare Abgasklappe kann auf einfache Art und Weise zwischen einem Normalbetrieb und einem Bypassbetrieb umgeschaltet werden.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator in einem Abschnitt des Abgasrückführungskanals stromabwärts der schaltbaren Abgasklappe und stromaufwärts der zweiten Verzweigung angeordnet ist. Dadurch ist es möglich, den Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator unmittelbar nach dem Kaltstart mit ungekühltem Abgas zu durchströmen, um das Aufheizen auf seine Aktivierungstemperatur von etwa 40°C zu beschleunigen. Im weiteren Verlauf der Kaltstartphase kann der Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator mit gekühltem Abgas beaufschlagt werden, um den weiteren Temperaturanstieg zu verlangsamen, sodass die obere Grenztemperatur, ab welcher Stickoxide aus dem Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator desorbieren, erst zeitlich später erreicht wird. Durch das parallele Aufheizen des Partikelfilters und/oder des SCR-Katalysators erreichen diese ihre Light-off-Temperatur, bevor der Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator seine obere Grenztemperatur erreicht hat.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem vorgeschlagen, welches folgende Schritte umfasst:
- - Kaltstart des Verbrennungsmotors, wobei die Abgasklappe geschlossen wird, wobei
- - das Abgas des Verbrennungsmotors durch den Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator geleitet wird, und wobei
- - das Abgas nach Durchströmen des Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysators über den Abgaskanal dem Abgaskanal stromabwärts der Abgasklappe wieder zugeführt wird.
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Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren können die Stickoxidemissionen des Verbrennungsmotors in der Kaltstartphase minimiert werden.
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In einer Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Abgase des Verbrennungsmotors nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors durch den Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator geleitet werden und parallel zumindest eine weitere Abgasnachbehandlungskomponente zur Reduzierung der Stickoxid-Emissionen, insbesondere ein NOx-Speicherkatalysator, eine SCR-Beschichtung oder ein SCR-Katalysator auf ihre Light-Off-Temperatur aufgeheizt wird. Durch ein solches Verfahren können die Stickoxidemissionen in der Kaltstartphase gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen verringert werden. Dabei werden die Stickoxidemissionen in einer ersten Phase nach dem Kaltstart des Verbrennungsmotors in dem Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator eingelagert. Bei höherer Temperatur erfolgt die Abgasnachbehandlung in bekannter Weise vorzugsweise über einen NOx-Speicherkatalysator, einen Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung und einen nachgeschalteten SCR-Katalysator.
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Bevorzugt ist dabei, wenn die weitere Abgasnachbehandlungskomponente ihre Light-Off-Temperatur erreicht hat, bevor der Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator seine obere Grenztemperatur erreicht hat, ab welcher Stickoxide aus dem Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator desorbieren. Dadurch können die desorbierenden Stickoxide, welche wieder an den Abgasstrom abgegeben werden, durch eine den Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator nachgeschaltete Abgasnachbehandlungskomponente in Stickstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf konvertiert werden, sodass keine schädlichen Stickoxide in die Umwelt emittiert werden.
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In einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Abgasklappe geöffnet wird, sobald der Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator eine obere Schwellentemperatur erreicht hat, ab welcher die im Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator eingespeicherten Stickoxide desorbieren. Durch das Öffnen der Abgasklappe kann der Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator aus dem Abgasstrom entkoppelt werden und somit eine weitere Erwärmung des Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysators verhindert werden.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn gleichzeitig die Steuereinrichtung in der zweiten Abgasleitung geschlossen wird und die Steuereinrichtung, insbesondere ein Abgasrückführungsventil, in dem Abgasrückführungskanal geöffnet wird. Die aus dem Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator desorbierenden Stickoxide können auf diese Weise aus dem Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator über den Abgasrückführungskanal auf die Saugseite des Verbrennungsmotors strömen und wieder in die Brennräume eingesaugt werden. Dort können sie entweder direkt durch die motorische Verbrennung und ein im Brennraum enthaltenes Reduktionsmittel oder durch eine zu diesem Zeitpunkt aktive Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden umgesetzt werden.
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In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass nach einer teilweisen, insbesondere nach vollständiger Entleerung des Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysators die Steuereinrichtung in dem zweiten Abgaskanal wieder geöffnet wird.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Gleich Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigen:
- 1 einen Verbrennungsmotor mit einem Luftversorgungssystem und einer Abgasanlage mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem;
- 2 eine weiteres Ausführungsbeispiel für einen Verbrennungsmotor mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem;
- 3 ein Diagramm, in welchem die NOx-Konvertierungsrate / NOx-Speicherrate über dem Temperaturverlauf aufgetragen ist.
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1 zeigt die schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 10 mit einem Luftversorgungssystem 20 und einer Abgasanlage 40. Der Verbrennungsmotor 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein direkteinspritzender Dieselmotor und weist mehrere Brennräume 12 auf. An den Brennräumen 12 ist jeweils ein Kraftstoffinjektor 14 zur Einspritzung eines Kraftstoffes in den jeweiligen Brennraum 12 angeordnet. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Einlass 16 mit einem Luftversorgungssystem 20 und mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 40 verbunden. Der Verbrennungsmotor 10 umfasst ferner eine Hochdruck-Abgasrückführung mit einem Hochdruck-Abgasrückführungsventil, über welches ein Abgas des Verbrennungsmotors 10 von dem Auslass 18 zum Einlass 16 zurückgeführt werden kann. An den Brennräumen 12 sind Einlassventile und Auslassventile angeordnet, mit welchen eine fluidische Verbindung vom Luftversorgungssystem 20 zu den Brennräumen 12 oder von den Brennräumen 12 zur Abgasanlage 40 geöffnet oder verschlossen werden kann.
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Das Luftversorgungssystem 20 umfasst einen Ansaugkanal 28, in welcher in Strömungsrichtung von Frischluft durch den Ansaugkanal 28 ein Luftfilter 22, stromabwärts des Luftfilters 22 ein Luftmassenmesser 24, insbesondere ein Heißfilmluftmassenmesser, stromabwärts des Luftmassenmessers 24 ein Verdichter 26 eines Abgasturboladers 36, stromabwärts des Verdichters 26 eine Drosselklappe 30 und weiter stromabwärts ein Ladeluftkühler 32 angeordnet sind. Dabei kann der Luftmassenmesser 24 auch in einem Filtergehäuse des Luftfilters 22 angeordnet sein, sodass der Luftfilter 22 und der Luftmassenmesser 24 eine Baugruppe ausbildet. Stromabwärts des Luftfilters 22 und stromaufwärts des Verdichters 26 ist eine Einmündung 34 vorgesehen, an welcher eine Abgasrückführungsleitung 86 einer Niederdruck-Abgasrückführung 80 in den Ansaugkanal 28 mündet.
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Die Abgasanlage 40 umfasst einen ersten Abgaskanal 42, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den ersten Abgaskanal 42 eine Turbine 44 des Abgasturboladers 36 angeordnet ist, welche den Verdichter 26 im Luftversorgungssystem 20 über eine Welle antreibt. Der Abgasturbolader 36 ist vorzugsweise als Abgasturbolader 36 mit variabler Turbinengeometrie ausgeführt. Dazu sind einem Turbinenrad der Turbine 44 verstellbare Leitschaufeln vorgeschaltet, über welche die Anströmung des Abgases auf die Schaufeln der Turbine 44 variiert werden kann. Stromabwärts der Turbine 44 sind mehrere Abgasnachbehandlungskomponenten 48, 50, 52, 54, 56, 58 vorgesehen. Dabei ist unmittelbar stromabwärts der Turbine 44 als erste Komponente der Abgasnachbehandlung ein NOx-Speicherkatalysator 48 angeordnet. Dem NOx-Speicherkatalysator 48 ist ein Heizelement 66 in Form einer elektrischen Heizscheibe vorgeschaltet. Stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators 48 ist ein Partikelfilter 52 mit einer Beschichtung 54 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 52 ist ein weiterer SCR-Katalysator 58 angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 52 und stromaufwärts des weiteren SCR-Katalysators 58 ist in dem ersten Abgaskanal 42 eine Abgasklappe 78 vorgesehen, mit welcher der Querschnitt des ersten Abgaskanals 42 zumindest teilweise versperrt werden kann, um den Abgasgegendruck im ersten Abgaskanal 42 zu erhöhen. Stromabwärts des Partikelfilters 52 und stromaufwärts der Abgasklappe 78 ist am ersten Abgaskanal 42 eine Verzweigung 76 vorgesehen, an welcher eine Abgasrückführungsleitung 86 einer Abgasrückführung 80 aus dem ersten Abgaskanal 42 abzweigt. Alternativ oder zusätzlich zu dem NOx-Speicherkatalysator 48 kann auch ein Oxidationskatalysator 50 verwendet werden. Ferner können anstelle des Partikelfilters 52 mit der SCR-Beschichtung 54 ein SCR-Katalysator 56 und ein unbeschichteter Partikelfilter 52 oder ein Partikelfilter 52 mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung vorgesehen sein.
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Die Abgasrückführung 80 umfasst neben der Abgasrückführungsleitung 86 einen Abgasrückführungskühler 82 und ein Abgasrückführungsventil 84, über welches die Abgasrückführung durch die Abgasrückführungsleitung 86 steuerbar ist. An der Abgasrückführungsleitung 86 der Abgasrückführung 80 ist ein Temperatursensor 70 vorgesehen, über welchen eine Abgastemperatur in der Abgasrückführung 80 ermittelt werden kann, um die Abgasrückführung 80 zu aktivieren, sobald die Abgastemperatur in der Abgasrückführung 80 einen definierten Schwellenwert überschritten hat. Somit kann verhindert werden, dass Wasserdampf oder im Abgas enthaltenes Reduktionsmittel zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere flüssige Harnstofflösung, auskondensiert und in der Abgasrückführung 80 oder im Luftversorgungssystem 20 zu Beschädigungen oder Ablagerungen führt. Stromabwärts der Verzweigung 76 und stromaufwärts des Abgasrückführungskühlers 82 ist ein Filter 92 vorgesehen, um den Eintrag von Partikeln in die Abgasrückführung 80 zu minimieren. Stromabwärts des Filters 92 und stromaufwärts des Abgasrückführungskühlers 82 ist ein Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator 46 angeordnet. Stromabwärts des Abgasrückführungskühlers 82 ist eine dritte Verzweigung 88 ausgebildet, an welcher ein zweiter Abgaskanal 62 aus dem Abgasrückführungskanal 86 abzweigt und den Abgasrückführungskanal 86 mit dem ersten Abgaskanal 42 stromabwärts der Abgasklappe 76 verbindet. An einer Einmündung 60 mündet der zweite Abgaskanal 62 wieder in den ersten Abgaskanal 42. In dem zweiten Abgaskanal 62 ist ein zweites Steuerelement 96 in Form einer Abgasklappe vorgesehen, mit welcher der zweite Abgaskanal 62 geöffnet und geschlossen werden kann. Alternativ kann das zweite Steuerelement 96 auch als Drosselklappe ausgebildet sein, um den Querschnitt des zweiten Abgaskanals 62 variabel zu vergrößern oder verkleinern.
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In der Abgasanlage 40 ist ein Temperatursensor 70 vorgesehen, mit welchem eine Abgastemperatur in der Abgasanlage 40 überwacht werden kann, um eine effektive und effiziente Abgasnachbehandlung des Abgases des Verbrennungsmotors 10 zu ermöglichen. Ferner sind Differenzdrucksensoren 72 vorgesehen, um eine Druckdifferenz über dem Partikelfilter 52 zu bestimmen. Auf diese Weise kann der Beladungszustand des Partikelfilters 52 ermittelt und bei Überschreiten eines definierten Beladungsniveaus eine Regeneration des Partikelfilters 52 eingeleitet werden. Ferner ist am ersten Abgaskanal 42 mindestens ein Dosiermodul 38 vorgesehen, um ein Reduktionsmittel, insbesondere wässrige Harnstofflösung, stromaufwärts des SCR-Katalysators 56 und/oder stromaufwärts des Partikelfilters 52 in den ersten Abgaskanal 42 einzudosieren.
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Der Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Motorsteuergerät 90 verbunden, welches über nicht dargestellte Signalleitungen mit den Druck- und Temperatursensoren 70, 72 sowie mit den Kraftstoffinjektoren 14 des Verbrennungsmotors 10 und den Steuereinrichtungen 24, 30, 38, 78, 84, 96, 98 des Luftversorgungssystems 20 sowie der Abgasanlage 40 verbunden ist.
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Nach dem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 wird die Abgasklappe 78 geschlossen und das elektrische Heizelement 66 aktiviert. Gleichzeitig sind das Abgasrückführungsventil 84, 98 geschlossen und das Steuerelement 96 geöffnet, sodass das Abgas durch den ersten Abschnitt der Abgasrückführungsleitung 86 und den zweiten Abgaskanal 62 wieder in den ersten Abgaskanal 42 strömt. Das elektrische Heizelement 66 erwärmt das Abgas stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators 48. Parallel speichert der Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator 46 in der Abgasrückführung 80 ab Erreichen seiner Aktivierungstemperatur von etwa 40°C und bis zum Erreichen seiner Maximaltemperatur von etwa 100 - 120°C die vom Verbrennungsmotor 10 emittierten Stickoxide ein. Da die Abgasnachbehandlungskomponenten 48, 50, 52, 54, 56 in Strömungsrichtung des Abgases durchwärmt werden, wird die Desorptionstemperatur des Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator 46 erst überschritten, wenn zumindest der NOx-Speicherkatalysator und vorzugsweise zusätzlich die SCR-Beschichtung 54 des Partikelfilters 52 oder der SCR-Katalysator 56 ihre Light-Off-Temperaturen erreicht haben. Spätestens bei Erreichen der Desorptionstemperatur, welche auch als obere Grenztemperatur des Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysators 46 bezeichnet wird, wird die Abgasklappe 76 teilweise oder vollständig geöffnet und die Steuerklappe 96 im zweiten Abgaskanal 62 bevorzugt vollständig geschlossen. Hat das Abgas eine hinreichende Temperatur erreicht, wird das Abgasrückführungsventil 84, 98 geöffnet und das Abgas in den Ansaugkanal 28 des Luftversorgungssystems 20 zurückgeführt. Die aus dem Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator 46 desorbierenden Stickoxide strömen somit über die Abgasrückführung 80 zurück in die Brennräume 12 des Verbrennungsmotors 10, wo sie entweder unmittelbar durch den Kraftstoff oder mittelbar nach Verlassen der Brennräume durch die SCR-Beschichtung 54 oder den SCR-Katalysator 56 in die unlimitierten Abgaskomponenten Stickstoff, Wasserdampf und Kohlendioxid konvertiert werden. Nach teilweiser oder vollständiger Entleerung des Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysators 46 wird die Steuerklappe 96 im zweiten Abgaskanal 62 wieder geöffnet.
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Ist eine Erweiterung des Leitungsquerschnitts des ersten Abschnitts des Abgasrückführungskanals 86 nicht möglich, um den vollständigen Abgasstrom durch dieses Leitungssegment zu führen, kann in der Kaltstartphase bis zum Erreichen der Light-Off-Temperatur der SCR-Beschichtung 54 oder des SCR-Katalysators 56 eine Leistungs- und/oder Drehmomentbegrenzung des Verbrennungsmotors 10 erfolgen, um den Abgasstrom zu limitieren. Somit kann verhindert werden, dass der Abgasgegendruck unzulässig ansteigt.
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Da die Speicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators 48 begrenzt ist, muss diese in regelmäßigen Abständen durch ein unterstöchiometrisches Abgas regeneriert werden. Dabei werden die eingelagerten Stickoxide mit den unverbrannten Kohlenwasserstoffen in dem Abgas zu Stickstoff, Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid umgesetzt. Im weiteren Betrieb heizen sich auch die SCR-Beschichtung 54 des Partikelfilters 52 und der SCR-Katalysator 56 auf ihre Light-off-Temperatur auf, sodass ab dem Erreichen dieser Temperatur die Stickoxid-Emissionen zusätzlich durch selektive, katalytische Reduktion aus dem Abgas entfernt werden können. Bei entsprechender Heizleistung des elektrischen Heizelements 66 kann der NOx-Speicherkatalysator auch entfallen oder durch einen Oxidationskatalysator 50 ersetzt werden, wenn sichergestellt ist, dass die SCR-Beschichtung 54 oder der SCR-Katalysator 56 bereits ihre Light-Off-Temperatur erreichen, bevor es zu einer Desorption von Stickoxiden aus dem Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator 46 kommt.
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Alternativ zu einem elektrischen Heizelement 66 kann auch ein Abgasbrenner vorgesehen sein, um eine der Abgasnachbehandlungskomponenten 48, 50, 52, 54, 56, 58 auf ihre Light-Off-Temperatur aufzuheizen.
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In 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie in 1 dargestellt, unterscheidet sich das Abgasnachbehandlungssystem im Bereich der Abgasrückführung 80. In dem Abgasrückführungskanal 86 sind in diesem Ausführungsbeispiel in Strömungsrichtung des Abgases zunächst ein Filter 92 und stromabwärts des Filters 92 ein Abgasrückführungskühler 82 angeordnet. Stromabwärts der ersten Verzweigung 76 und stromaufwärts der Abgasklappe 78 ist am ersten Abgaskanal 42 eine dritte Verzweigung 68 vorgesehen. Dort zweigt ein Bypasskanal 64 aus dem ersten Abgaskanal 42 ab, welcher stromabwärts des Abgasrückführungskühlers 82 in den Abgasrückführungskanal 86 einmündet. An einer Zusammenführung 74 des Bypasskanals 64 und des Abgasrückführungskanals 86 ist eine schaltbare Abgasklappe 94 vorgesehen, mit welcher der zurückgeführte Abgasstrom wahlweise durch den Abgasrückführungskühler 82 oder ungekühlt durch den Bypasskanal 64 zurückgeführt werden kann. Stromabwärts der Zusammenführung 74 und stromaufwärts der zweiten Verzweigung 88 ist ein Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator 46 angeordnet, welcher unmittelbar nach dem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 als zeitlich erste, emissionsmindernd wirkende Abgasnachbehandlungskomponente die Stickoxide im Abgas einspeichert.
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Eine Abgasnachbehandlung mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem ist in 3 dargestellt. Dabei ist die Stickoxidspeicherrate beziehungsweise Stickoxidkonvertierungsrate über der Temperatur dargestellt. Kurve I stellt den Betriebsbereich des Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysators 46, Kurve II den Betriebsbereich des NOx-Speicherkatalysators 48 und Kurve III den Funktionsbereich der SCR-Beschichtung 54 des Partikelfilters 52 beziehungsweise eines SCR-Katalysators 56 dar. Wie zu erkennen ist, ist ab dem Erreichen der Minimumtemperatur des Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysators 46 immer mindestens eine der Abgasnachbehandlungskomponenten in der Lage, die Stickoxide einzulagern oder zu konvertieren, sodass die Stickoxidemissionen minimiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Brennraum
- 14
- Kraftstoffinjektor
- 16
- Einlass
- 18
- Auslass
- 20
- Luftversorgungssystem
- 22
- Luftfilter
- 24
- Luftmassenmesser
- 26
- Verdichter
- 28
- Ansaugkanal
- 30
- Drosselklappe
- 32
- Ladeluftkühler
- 34
- Einmündung
- 36
- Abgasturbolader
- 38
- Dosiermodul
- 40
- Abgasanlage
- 42
- Abgaskanal
- 44
- Turbine
- 46
- Niedertemperatur NOx-Speicherkatalysator
- 48
- NOx-Speicherkatalysator
- 50
- Oxidationskatalysator
- 52
- Partikelfilter
- 54
- SCR-Beschichtung
- 56
- SCR-Katalysator
- 58
- SCR-Katalysator
- 60
- Einmündung
- 62
- Abgaskanal
- 64
- Bypasskanal
- 66
- elektrisches Heizelement
- 68
- dritte Verzweigung
- 70
- Temperatursensor
- 72
- Differenzdrucksensoren
- 74
- Zusammenführung
- 76
- Verzweigung
- 78
- Abgasklappe
- 80
- Abgasrückführung
- 82
- Abgasrückführungskühler
- 84
- Abgasrückführungsventil
- 86
- Abgasrückführungsleitung
- 88
- zweite Verzweigung
- 90
- Steuergerät
- 92
- Filter
- 94
- schaltbare Abgasklappe
- 96
- zweites Steuerelement
- 98
- drittes Steuerelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016001197 B3 [0005]
- DE 102017214572 A1 [0006]
- US 2011061371 A1 [0007]
