DE102018201870A1

DE102018201870A1 - Abgassystem zur Aufnahme eines von einem Verbrennungsmotor erzeugten Abgasstroms, Kraftfahrzeug und Verfahren zur Behandlung eines von einem Verbrennungsmotor erzeugten Abgasstroms

Info

Publication number: DE102018201870A1
Application number: DE102018201870.7A
Authority: DE
Inventors: Maria Armiento; Mario Balenovic; Jan Harmsen; Christian Nederlof; Robert Ukropec
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2018-02-07
Filing date: 2018-02-07
Publication date: 2019-08-08

Abstract

Es wird ein Abgassystem 1 zur Aufnahme eines von einem Verbrennungsmotor 2 erzeugten Abgasstroms 3 angegeben, das einen LNT-Katalysator 4, einen stromabwärts des LNT-Katalysators 4 angeordneten SCR-Katalysator 5, einen Bypass 6 zur Umgehung des SCR-Katalysators 5, ein Bypassventil 7 zur Aufteilung des Abgasstroms 3 auf den Bypass 6 und den SCR-Katalysator 5 und einen stromaufwärts des LNT-Katalysators 4 oder stromabwärts des LNT-Katalysators 4 und stromaufwärts des Bypassventils 7 angeordneten Lambda-Sensor 8 aufweist.Des Weiteren werden ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Abgassystem 1 sowie Verfahren zur Behandlung eines von einem Verbrennungsmotor 2 erzeugten Abgasstroms 3 angegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Abgassystem zur Aufnahme eines von einem Verbrennungsmotor erzeugten Abgasstroms, ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Abgassystem sowie Verfahren zur Behandlung eines von einem Verbrennungsmotor erzeugten Abgasstroms.
Die Reduktion von Stickoxiden (NO_x) im Abgasstrom von Magermotoren, d. h. Verbrennungsmotoren, die mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ > 1 betrieben werden, in einer insgesamt betrachtet oxidierenden Umgebung stellt eine große Herausforderung unter verschiedenen Betriebsbedingungen dar.
Stickoxidspeicherkatalysatoren, auch als NSR-Katalysatoren (engl. NO_x storage and reduction catalyst) oder LNT-Katalysator (engl. lean NO_x trap) bezeichnet, stellen eine der beiden Haupttechnologien zur katalytischen Umwandlung von Stickoxiden dar. Die alternative Haupttechnologie beruht auf der selektiven katalytischen Reduktion (SCR, engl. selective catalytic reduction) von Stickoxiden mittels Ammoniak, welcher beispielsweise aus einer zugeführten Harnstofflösung gewonnen werden kann.
LNT-Katalysatoren können Stickoxide bereits bei niedrigen Temperaturen speichern und die Speichereffizienz nimmt bis zu Temperaturen von ungefähr 200 bis 250 °C zu. Die adsorbierten, d. h. gespeicherten, Stickoxide können dann zu Stickstoff reduziert werden, indem der LNT-Katalysator mit einem fetten Gemisch bei höheren Temperaturen gespült wird. Die im fetten Gemisch enthaltenen Kohlenwasserstoffe sowie Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff wirken dabei als Reduktionsmittel.
Die SCR-Technologie kann demgegenüber bei niedrigen Temperaturen normalerweise keine hohen Reaktionsgeschwindigkeiten für die Reduktion von Stickoxiden bieten, sofern nicht ein optimales NO : NO₂ - Verhältnis vorliegt und die Verfügbarkeit von Ammoniak gewährleistet ist, um eine schnelle Reaktion zu fördern. Sobald die Temperatur jedoch 200 °C übersteigt, zeigen SCR-Katalysatoren hervorragende Leistungen in Hinblick auf die Stickoxidumwandlung.
Um strenger werdenden Emissionsrichtlinien zu begegnen ist eine Kopplung der beiden Haupttechnologien attraktiv geworden. Hierdurch können Stickoxide in einem viel größeren Temperaturbereich effektiv umgewandelt werden. Die Kombination eines LNT-Katalysators mit einem SCR-Katalysator bringt jedoch auch Probleme mit sich. Während der SCR-Katalysator zur Verwendung mit einem mageren Abgasgemisch, d. h. Sauerstoffüberschuss ausgelegt ist, erfordert der LNT-Katalysator zumindest zeitweise ein fettes Abgasgemisch zu seiner Regeneration, d. h. der Reduktion der gespeicherten Stickoxide und der Abgabe der reduzierten Verbindungen in den Abgasstrom, um die Stickoxidspeicherkapazität wiederherzustellen.
Der zeitweise Betrieb mit einem fetten Abgasgemisch verursacht einen Reduktionsmittelschlupf. Mit anderen Worten erreicht das fette Abgasgemisch auch den stromabwärts des LNT-Katalysators angeordneten SCR-Katalysator. Dieses fette Abgasgemisch wirkt sich negativ auf die Leistungsfähigkeit des SCR-Katalysators aus, insbesondere bei hohen Temperaturen, wie sie z. B. bei der Entschwefelung (DeSOx) vorherrschen. Diese Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit des SCR-Katalysators ist dauerhaft und beruht auf der Deaktivierung des Katalysatormaterials, z. B. aufgrund von Sintervorgängen, und/oder der Reduktion von Kupfer im SCR-Katalysator.
Eine solche Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit des SCR-Katalysators ist zudem schwer vorhersagbar und kann entsprechend nur unzureichend bei der Vorhersage der optimal zuzuführenden Menge an Harnstofflösung berücksichtigt werden. Ist die Leistungsfähigkeit des SCR-Katalysators aufgrund des Kontakts mit einem fetten Abgasgemisch verringert, wird jedoch weiterhin dieselbe Menge an Harnstofflösung zugeführt, kommt es zu einer unerwünschten Freisetzung von Ammoniak.
In der DE 10 2013 106 323 A1 wird beschrieben, dass aus einem Oxidationskatalysator austretende Kohlenwasserstoffe eine Verschlechterung des Betriebs eines SCR-Katalysators verursachen können, wodurch die Effizienz und Nutzungsdauer des SCR-Katalysators reduziert werden. Zur Verbesserung des Betriebs eines SCR-Katalysators wurden ein System und ein Verfahren entwickelt, bei dem die Kohlenwasserstoffe den SCR-Katalysator mittels eines Bypasses umgehen können.
Im Unterschied zur beschriebenen Problematik des Einwirkens eines fetten Abgasgemischs auf den SCR-Katalysator, das eine irreversible Schädigung des SCR-Katalysators verursachen kann, führen die in der DE 10 2013 106 323 A1 beschriebenen austretenden Kohlenwasserstoffe lediglich zu einer zeitweisen Verschlechterung der Aktivität des SCR-Katalysators, da die Kohlenwasserstoffe die aktiven Zentren des Katalysators nur vorrübergehend besetzen. Ein solches vorübergehendes Besetzen basiert vermutlich auf einer physikalischen Adsorption bei geringen Temperaturen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die nachteiligen Auswirkungen eines fetten Abgasgemischs, wie es z. B. zur Regeneration eines LNT-Katalysators genutzt wird, auf den SCR-Katalysator zu verringern oder zu vermeiden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Grundgedanke der Erfindung ist es, den SCR-Katalysator vor einem fetten Abgasgemisch zu schützen, indem der Abgasstrom bei fetten Bedingungen mittels eines Bypasses um den SCR-Katalysator herumgeleitet wird. Hierdurch wird erreicht, dass das fette Abgasgemisch nicht in den SCR-Katalysator gelangt und eine irreversible Schädigung des SCR-Katalysators verhindert werden kann.
LNT- und SCR-Katalysator können somit dauerhaft gemeinsam zur katalytischen Behandlung des Abgasstroms eingesetzt werden. Dies ermöglicht eine effektive katalytische Behandlung des Abgasstroms innerhalb eines großen Temperaturbereichs, so dass im Abgasstrom enthaltene Stickoxide weitgehend entfernt und der SCR-Katalysator gleichzeitig vor irreversibler Schädigung und einer damit einhergehenden Verschlechterung seiner katalytischen Aktivität geschützt werden kann.
Ein erfindungsgemäßes Abgassystem zur Aufnahme eines von einem Verbrennungsmotor erzeugten Abgasstroms weist einen LNT-Katalysator, einen stromabwärts des LNT-Katalysators angeordneten SCR-Katalysator, einen Bypass zur Umgehung des SCR-Katalysators, ein Bypassventil zur Aufteilung des Abgasstroms auf den Bypass und den SCR-Katalysator und einen Lambda-Sensor auf. Der Lambda-Sensor ist entweder stromaufwärts des LNT-Katalysators oder stromabwärts des LNT-Katalysators und stromaufwärts des Bypassventils angeordnet.
Unter einem Verbrennungsmotor, teilweise auch als Brennkraftmaschine bezeichnet, ist eine Verbrennungskraftmaschine zur Umwandlung von im Kraftstoff enthaltener chemischer Energie in mechanische Arbeit zu verstehen. Der Verbrennungsmotor kann beispielsweise als selbstzündender oder fremdgezündeter Verbrennungsmotor ausgebildet sein. Als Kraftstoff kann beispielsweise Motorbenzin oder Diesel genutzt werden. Angegebene Strömungsrichtungen beziehen sich auf die Strömungsrichtung des Abgasstroms vom Verbrennungsmotor in Richtung Auspuff.
Das Abgassystem wird durch eine Abgasleitung gebildet, die vom Abgasstrom durchströmt wird und in der die Katalysatoren und Sensoren angeordnet sind, so dass die Katalysatoren ebenfalls vom Abgasstrom durchströmt werden können und die Eigenschaften des Abgasstroms, z. B. dessen Zusammensetzung, Temperatur etc., mittels der Sensoren bestimmt werden kann. Zur Definition und Funktionsweise eines LNT- bzw. SCR-Katalysators wird auf die einleitenden Erläuterungen verwiesen.
Das Abgassystem weist einen Bypass, d. h. eine Umgehungsleitung, auf, mit dem der SCR-Katalysator umgangen werden kann. Mit anderen Worten kann der Abgasstrom wahlweise entweder den Bypass oder den SCR-Katalysator durchströmen. Mittels des Bypassventils kann die Aufteilung des Abgasstroms auf den Bypass oder den SCR-Katalysator festgelegt werden. Beispielsweise kann das Bypassventil in Abhängigkeit von Sensorsignalen, z. B. des nachfolgend beschriebenen Lambda-Sensors, gesteuert werden, so dass der Abgasstrom in Abhängigkeit der Sensorsignale auf den Bypass oder den SCR-Katalysator aufgeteilt wird.
Erfindungsgemäß ist stromaufwärts des LNT-Katalysators oder stromabwärts des LNT-Katalysators und stromaufwärts des Bypassventils und damit auch stromaufwärts des SCR-Katalysators ein Lambda-Sensor angeordnet. Unter einem Lambda-Sensor ist ein Sensor zu verstehen, der Messsignale liefert, aus denen das Verbrennungsluftverhältnis λ, d. h. das Verhältnis der tatsächlich für die Verbrennung zur Verfügung stehende Luftmasse zur mindestens notwendigen stöchiometrischen Luftmasse, die für eine vollständige Verbrennung benötigt wird, ermittelt wird. Der Lambda-Sensor kann beispielsweise als Lambda-Sonde ausgebildet sein, die den Restsauerstoffgehalt im Abgas mit dem Sauerstoffgehalt der momentanen Atmosphärenluft vergleicht, woraus das Verbrennungsluftverhältnis ermittelt werden kann. Der Lambda-Sensor kann auch als Stickoxid-Sensor ausgebildet sein, da solche Stickoxid-Sensoren neben der Bestimmung des Stickoxidanteils auch das Verbrennungsluftverhältnis ausgeben können.
Mittels des Lambda-Sensors kann das Verbrennungsluftverhältnis stromaufwärts oder stromabwärts des LNT-Katalysators ermittelt werden.
Ist der Lambda-Sensor stromabwärts des LNT-Katalysators angeordnet, kann bestimmt werden, ob das Abgas nach dem Durchströmen des LNT-Katalysators ein fettes Abgasgemisch (λ_ab < 1), ein stöchiometrisches Abgasgemisch (λ_ab = 1) oder ein mageres Abgasgemisch (λ_ab > 1) ist. Wird dem LNT-Katalysator zur Regeneration ein fettes Abgasgemisch zugeführt, kann mittels des Lambda-Sensors der Zeitpunkt ermittelt werden, zu dem von einer Regeneration des LNT-Katalysators ausgegangen werden kann, da zu diesem Zeitpunkt auch stromabwärts ein fettes Abgasgemisch detektiert werden kann. Dieser Zeitpunkt wird auch als Lambdadurchbruch (engl. lambda breakthrough) bezeichnet.
Detektiert der Lambda-Sensor ein Verbrennungsluftverhältnis λ_ab < 1, so kann mittels des Bypassventils der Bypass aktiviert werden. Der Abgasstrom durchströmt dann anstelle des SCR-Katalysators den Bypass. Der Bypass kann beispielsweise solange aktiviert bleiben, wie der Lambda-Sensor ein Verbrennungsluftverhältnis λ_ab < 1 detektiert.
Wird hingegen ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis oder ein Verbrennungsluftverhältnis λ_ab > 1 mittels des stromabwärts des LNT-Katalysators angeordneten Lambda-Sensors detektiert, so besteht keine Gefahr für den SCR-Katalysator und der Abgasstrom kann zur Nachbehandlung durch den SCR-Katalysator geleitet werden, um Stickoxide zu entfernen.
Alternativ kann der Lambda-Sensor stromaufwärts des LNT-Katalysators angeordnet sein, so dass das Verbrennungsluftverhältnis λ_auf bestimmt werden kann. Wird ein Verbrennungsluftverhältnis λ_auf < 1 detektiert, wird dem Abgassystem ein fettes Abgasgemisch, z. B. zur Regeneration des LNT-Katalysators, zugeführt. Es ist zu erwarten, dass nach einer gewissen Zeitspanne auch stromabwärts des LNT-Katalysators ein Verbrennungsluftverhältnis λ_ab < 1 vorliegen werden wird. Diese Zeitspanne und damit auch der Zeitpunkt t₁ , zu dem ein Verbrennungsluftverhältnis λ_ab < 1 auch stromabwärts des LNT-Katalysators zu erwarten ist, kann beispielsweise anhand von Modellrechnungen, die online ausgeführt werden können, ermittelt werden. Solche Modellrechnungen können z. B. die im LNT-Katalysator gespeicherte Menge an Stickoxiden und/oder Sauerstoff, die Geschwindigkeit einer Abnahme der gespeicherten Stickoxide und/oder des gespeicherten Sauerstoffs als Funktion der Temperatur sowie des Verbrennungsluftverhältnisses λ, die Menge an dem LNT-Katalysator zugeführten reduzierend wirkenden Verbindungen, ermittelbar aus dem Verbrennungsluftverhältnis λ, sowie die Temperatur berücksichtigen.
Bei Erreichens dieses Zeitpunkts t₁ kann der Bypass mittels des Bypassventils aktiviert werden. Optional kann ein Zeitpunkt t₀ vor dem Zeitpunkt t₁ festgelegt werden, wobei der Bypass bereits bei Erreichen des Zeitpunkts t₀ aktiviert wird, so dass der Abgasstrom bereits ab dem Zeitpunkt t₀ den Bypass anstelle des SCR-Katalysators durchströmt.
Wird der Bypass bereits bei Erreichen des Zeitpunkts t₀ aktiviert, kann ein verbesserter Schutz des SCR-Katalysators vor einem fetten Abgasgemisch erreicht werden, da der Bypass nicht erst bei einer tatsächlichen Detektion eines Verbrennungsluftverhältnisses λ_ab < 1 oder Erreichen des Zeitpunkts t₁ aktiviert wird, sondern bereits zum Zeitpunkt t₀ . Ein mögliches Eindringen eines fetten Abgasgemischs in den SCR-Katalysator in der Reaktionszeit des Bypassventils, d. h. zwischen der Detektion eines Verbrennungsluftverhältnisses λ_ab < 1 bzw. dem Erreichen des Zeitpunkts t₁ und dem Aktivieren, d. h. Öffnen, des Bypasses, kann verhindert werden.
Mit anderen Worten kann die Aktivierung des Bypasses entweder bei Detektion eines Verbrennungsluftverhältnisses λ_ab < 1 mittels des stromabwärts des LNT-Katalysators angeordneten Lambda-Sensors, zum Zeitpunkt t₁ oder zum Zeitpunkt t₀ erfolgen, wobei die Zeitpunkte t₁ und t₀ anhand des mittels des stromaufwärts des LNT-Katalysators angeordneten Lambda-Sensors ermittelten Verbrennungsluftverhältnisses λ_auf festgelegt werden.
Detektiert der Lambda-Sensor stromaufwärts des LNT-Katalysators ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis oder ein Verbrennungsluftverhältnis λ_auf > 1, so besteht keine Gefahr für den SCR-Katalysator und der Abgasstrom kann zur Nachbehandlung durch den SCR-Katalysator geleitet werden, um Stickoxide zu entfernen.
Mit beiden Anordnungsmöglichkeiten des Lambda-Sensors kann ein Kontakt des SCR-Katalysators mit einem fetten Abgasgemisch vermieden werden, da das fette Abgasgemisch durch den Bypass geleitet wird. Eine dauerhafte Verschlechterung der Katalysatoraktivität des SCR-Katalysators durch Kontakt mit einem fetten Abgasgemisch kann dadurch vermieden werden. Die Effizienz des SCR-Katalysators bei der Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgasstrom kann über einen längeren Zeitraum beibehalten werden. Darüber hinaus kann der SCR-Katalysator präziser überwacht werden, z. B. um eine korrekte Menge an zuzuführender Harnstofflösung zu bestimmen und eine unerwünschte Abgabe überschüssigen Ammoniaks zu verhindern, da eine sonst zu berücksichtigende Einschränkung der Katalysatoraktivität aufgrund des Kontakts mit einem fetten Abgasgemisch vermieden wird. Mit anderen Worten stimmt die Vorhersage der benötigten Menge an Harnstofflösung besser mit der tatsächlich benötigten Menge überein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das Abgassystem einen weiteren Lambda-Sensor aufweisen. Dieser weitere Lambda-Sensor kann stromaufwärts des LNT-Katalysators oder stromabwärts des LNT-Katalysators und stromaufwärts des Bypassventils angeordnet sein. Ist der erste Lambda-Sensor stromaufwärts des LNT-Katalysators angeordnet, so ist der weitere Lambda-Sensor bevorzugt stromabwärts des LNT-Katalysators und stromaufwärts des Bypassventils angeordnet. Ist der erste Lambda-Sensor stromabwärts des LNT-Katalysators und stromaufwärts des Bypassventils angeordnet, so ist der weitere Lambda-Sensor bevorzugt stromaufwärts des LNT-Katalysators angeordnet. Mit anderen Worten kann sowohl stromaufwärts des LNT-Katalysators als auch stromabwärts des LNT-Katalysators und stromaufwärts des Bypassventils ein Lambda-Sensor angeordnet sein.
Der weitere Lambda-Sensor dient ebenfalls der Ermittlung des Verbrennungsluftverhältnisses.
Es besteht nun die Möglichkeit, in Abhängigkeit des Sensorsignals des stromaufwärts des LNT-Katalysators angeordneten Lambda-Sensors das Bypassventil auf seine Aktivierung vorzubereiten. Beispielsweise kann bei Detektion eines Verbrennungsluftverhältnisses λ_auf < 1 das Bypassventil zur Aktivierung des Bypasses vorbereitet werden, z. B. indem das Bypassventil vorgespannt wird.
Die Deaktivierung des Bypasses kann in allen Fällen erfolgen, sobald stromabwärts des LNT-Katalysators ein Verbrennungsluftverhältnis λ_ab ≥ 1 mittels des stromabwärts des LNT-Katalysators angeordneten Lambda-Sensors detektiert wird.
Alternativ kann das Verbrennungsluftverhältnis λ_auf weiterhin oder erneut bestimmt werden. Ist λ_auf ≥ 1, kann ein Zeitpunkt t₂ abgeschätzt werden, zu dem das Verbrennungsluftverhältnis λ_ab ≥ 1 sein wird. Eine Deaktivierung des Bypasses kann erfolgen, falls der Zeitpunkt t₂ erreicht ist. Ab Deaktivierung des Bypasses durchströmt der Abgasstrom wieder den SCR-Katalysator anstelle des Bypasses.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Abgassystem weiterhin einen Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur des Abgasstroms aufweisen. Ein solcher Temperatursensor kann beispielsweise stromaufwärts oder stromabwärts des LNT-Katalysators angeordnet sein.
Der Temperatursensor ermöglicht es, die Aktivierung bzw. Deaktivierung des Bypasses in Abhängigkeit der Temperatur des Abgasstroms zu steuern. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Bypass nur bei Übersteigen einer Grenztemperatur aktiviert wird oder aktiviert bleibt. Eine solche Grenztemperatur kann im Bereich von 500 °C liegen, also beispielsweise 500 °C betragen.
Hierdurch kann vorteilhaft eine irreversible Schädigung des SCR-Katalysators unter fetten Bedingungen und hohen Temperaturen vermieden werden. Wird die Grenztemperatur hingegen nicht überstiegen, kann auf eine Aktivierung des Bypasses auch unter fetten Bedingungen verzichtet werden, da hierbei die Gefahr einer irreversiblen Schädigung geringer ist.
Mit anderen Worten kann also ein Kompromiss zwischen einer möglichen irreversiblen Schädigung des SCR-Katalysators und einer unzureichenden Nachbehandlung des Abgasstroms, indem dieser nicht im SCR-Katalysator nachbehandelt, sondern durch den Bypass geleitet wird, gefunden werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das Abgassystem eine Zuführeinrichtung zur Zuführung eines Ammoniak bildenden Mittels zum Abgasstrom aufweisen, die beispielsweise stromabwärts des Bypassventils und stromaufwärts des SCR-Katalysators angeordnet sein kann. Die Zuführeinrichtung kann beispielsweise ebenfalls deaktiviert sein oder werden, wenn der Abgasstrom den Bypass durchströmt, da der SCR-Katalysator dann keinen Ammoniak benötigt. Eine unerwünschte Freisetzung von Ammoniak in die Umgebung kann dadurch vermieden werden.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Abgassystem weiterhin eine Steuereinheit aufweisen, die dazu eingerichtet und ausgebildet ist, ein Steuersignal an das Bypassventil, z. B. zum Aktivieren oder Deaktivieren des Bypasses mittels Öffnen bzw. Schließen des Bypassventils, in Abhängigkeit von Sensorsignalen des oder der Lambda-Sensoren oder in Abhängigkeit von Sensorsignalen des oder der Lambda-Sensoren sowie des Temperatursensors auszugeben.
Die Steuereinheit empfängt Signale der Lambda-Sensoren als Eingangsdaten, verarbeitet diese Eingangsdaten und sendet Steuersignale an das Bypassventil als Aktuator in Reaktion auf die verarbeiteten Eingangsdaten basierend auf Anweisungen oder einem programmierten Code entsprechend einer oder mehrerer Routinen.
Die Steuereinheit kann Steuersignale wie oben stehend erläutert in Abhängigkeit der mittels der Lambda-Sensoren bestimmten Verbrennungsluftverhältnisse ausgeben, also beispielsweise ein Steuersignal zum Aktivieren des Bypasses, falls mittels des stromabwärts des LNT-Katalysators angeordneten Lambda-Sensors ein Verbrennungsluftverhältnis λ_ab < 1 detektiert wird; ein Steuersignal zum Vorbereiten des Bypassventils auf eine Aktivierung des Bypasses, falls mittels des stromaufwärts des LNT-Katalysators angeordneten Lambda-Sensors ein Verbrennungsluftverhältnis λ_auf < 1 detektiert wird; ein Steuersignal zum Aktivieren des Bypasses, falls der Zeitpunkt t₀ erreicht ist und/oder ein Steuersignal zum Deaktivieren des Bypasses, falls ein Verbrennungsluftverhältnis λ_ab ≥ 1 detektiert wird oder der Zeitpunkt t₂ erreicht ist.
Es besteht außerdem die Möglichkeit, den Bypass nur zu aktivieren oder in einem aktivierten Zustand zu belassen, falls die mittels des Temperatursensors ermittelte Temperatur des Abgasstroms die Grenztemperatur übersteigt.
Mittels der Steuereinheit kann das Bypassventil vorteilhaft automatisch gesteuert werden, so dass auch ein schneller Wechsel zwischen aktivierten und deaktivierten Bypass realisiert werden kann.
Optional kann die Steuereinheit auch dazu eingerichtet und ausgebildet sein, ein Steuersignal an die Zuführeinrichtung in Abhängigkeit von Sensorsignalen der Lambda-Sensoren oder in Abhängigkeit von Sensorsignalen der Lambda-Sensoren sowie des Temperatursensors auszugeben. Hierdurch kann die Zuführeinrichtung so gesteuert werden, dass sie nur aktiv ist, d. h. ein Ammoniak bildendes Mittel dem Abgasstrom zuführt, wenn der Abgasstrom auch den SCR-Katalysator durchströmt. Für die Aktivierung bzw. Deaktivierung der Zuführeinrichtung können daher dieselben Parameter wie zur Steuerung des Bypassventils genutzt werden.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug weist ein Abgassystem gemäß vorstehender Beschreibung auf. Unter einem Kraftfahrzeug ist ein durch einen Verbrennungsmotor angetriebenes Fahrzeug, z. B. ein Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug zu verstehen. Insofern dienen die obigen Ausführungen zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Abgassystems auch zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs entsprechen denen des erfindungsgemäßen Abgassystems und dessen Ausführungsvarianten.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Behandlung eines von einem Verbrennungsmotor erzeugten Abgasstroms weist die folgenden Schritte auf: Leiten des Abgasstroms durch einen LNT-Katalysator, Bestimmen des Verbrennungsluftverhältnisses λ_ab im Abgasstrom stromabwärts des LNT-Katalysators und stromaufwärts eines SCR-Katalysators, Leiten des Abgasstroms durch den SCR-Katalysator, falls das Verbrennungsluftverhältnis λ_ab ≥ 1 ist, und Leiten des Abgasstroms durch einen den SCR-Katalysator umgehenden Bypass, falls das Verbrennungsluftverhältnis λ_ab < 1 ist.
Mit anderen Worten wird der Abgasstrom durch den Bypass anstelle des SCR-Katalysators geleitet, falls stromabwärts des LNT-Katalysators ein fettes Abgasgemisch detektiert wird. Das Eindringen eines fetten Abgasgemischs in den SCR-Katalysator kann dadurch verhindert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise mittels des obenstehend erläuterten erfindungsgemäßen Abgassystems ausgeführt werden. Insofern dienen die obigen Ausführungen zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Abgassystems auch zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen denen des erfindungsgemäßen Abgassystems und dessen entsprechender Ausführungsvarianten.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das Verfahren weiterhin ein Bestimmen des Verbrennungsluftverhältnisses λ_auf im Abgasstrom stromaufwärts des LNT-Katalysators und ein Vorbereiten des Leitens des Abgasstroms durch den Bypass, falls das Verbrennungsluftverhältnis λ_auf < 1 ist, aufweisen.
Das Leiten des Abgasstroms durch den Bypass kann beispielsweise durch Vorbereiten eines Bypassventils, z. B. Vorspannen eines Bypassventils, vorbereitet werden. Hierdurch kann die Reaktionszeit des Bypassventils verkürzt werden.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zur Behandlung eines von einem Verbrennungsmotor erzeugten Abgasstroms weist die folgenden Schritte auf: Bestimmen des Verbrennungsluftverhältnisses λ_auf im Abgasstrom stromaufwärts eines LNT-Katalysators; Leiten des Abgasstroms durch den LNT-Katalysator; falls das Verbrennungsluftverhältnis λ_auf ≥ 1 ist, Leiten des Abgasstroms durch einen SCR-Katalysator stromabwärts des LNT-Katalysators; falls das Verbrennungsluftverhältnis λ_auf < 1 ist, Abschätzen des Zeitpunkts t₁ , zu dem das Verbrennungsluftverhältnis stromabwärts des LNT-Katalysators λ_ab < 1 sein wird, falls der Zeitpunkt t₁ nicht erreicht ist, Leiten des Abgasstroms durch einen SCR-Katalysator stromabwärts des LNT-Katalysators und ab Erreichen des Zeitpunkts t₁ , Leiten des Abgasstroms durch einen den SCR-Katalysator umgehenden Bypass.
Mit anderen Worten gibt es mehrere Möglichkeiten für die Ermittlung des Verbrennungsluftverhältnisses λ_ab , nämlich die Detektion mittels eines Sensors oder die Abschätzung mittels eines Modells. Beispielsweise kann das aus dem Messsignal eines Lambda-Sensors, z. B. eines stromaufwärts des LNT-Katalysators oder stromabwärts des LNT-Katalysators angeordneten Lambda-Sensors ermittelte Verbrennungsluftverhältnis zusammen mit einem weiteren Verbrennungsluftverhältnis, welches mittels eines Modells erhalten wird, zur Steuerung des Bypassventils, d. h. zur Entscheidung darüber, ob der Abgasstrom den SCR-Katalysator oder den Bypass durchströmt, genutzt werden.
Optional kann ein Zeitpunkt t₀ vor dem Zeitpunkt t₁ festgelegt werden. Das Erreichen des Zeitpunkts t₀ kann dann anstelle des Erreichens des Zeitpunkts t₁ genutzt werden, um zu entscheiden, ob der Abgasstrom durch den SCR-Katalysator oder den Bypass geleitet wird. Falls der Zeitpunkt t₀ nicht erreicht ist, wird der Abgasstrom durch den SCR-Katalysator geleitet. Ab Erreichen des Zeitpunkts t₀ wird der Abgasstrom durch den den SCR-Katalysator umgehenden Bypass geleitet.
Mit anderen Worten wird der Abgasstrom durch den Bypass anstelle des SCR-Katalysators geleitet, falls stromaufwärts des LNT-Katalysators ein fettes Abgasgemisch detektiert wird und der anschließend festgelegte Zeitpunkt t₁ bzw. t₀ erreicht ist. Das Eindringen eines fetten Abgasgemischs in den SCR-Katalysator kann dadurch verhindert werden.
Das weitere erfindungsgemäße Verfahren kann ebenfalls beispielsweise mittels des obenstehend erläuterten erfindungsgemäßen Abgassystems ausgeführt werden. Insofern dienen die obigen Ausführungen zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Abgassystems auch zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen denen des erfindungsgemäßen Abgassystems und dessen entsprechender Ausführungsvarianten.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten können die erfindungsgemäßen Verfahren weiterhin ein Bestimmen des Verbrennungsluftverhältnisses λ_auf im Abgasstrom stromaufwärts des LNT-Katalysators aufweisen. Das Verbrennungsluftverhältnis λ_auf im Abgasstrom stromaufwärts des LNT-Katalysators kann je nach Ablauf der vorhergehenden Verfahrensschritte erstmals, erneut oder fortlaufend erfolgen.
Ist das Verbrennungsluftverhältnis λ_auf ≥ 1 wird ein Zeitpunkt t₂ abgeschätzt, zu dem das Verbrennungsluftverhältnis stromabwärts des LNT-Katalysators λ_ab ≥ 1 sein wird. Ab Erreichen des Zeitpunkts t₂ ist davon auszugehen, dass stromabwärts des LNT-Katalysators kein fettes Abgasgemisch mehr vorliegt. Das Leiten des Abgasstroms durch den den SCR-Katalysator umgehenden Bypass wird beendet, falls der Zeitpunkt t₂ erreicht ist.
Der Kontakt des SCR-Katalysators mit einem fetten Abgasgemisch kann damit einerseits verhindert werden. Andererseits kann eine effiziente Abgasnachbehandlung eines stöchiometrischen oder mageren Abgasgemischs im SCR-Katalysator erfolgen. Die Bestimmung des Verbrennungsluftverhältnisses λ_ab im Abgasstrom stromabwärts des LNT-Katalysators sowie etwaige dafür notwendige Sensoren können vorteilhaft entfallen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten können die erfindungsgemäßen Verfahren weiterhin ein Bestimmen eines Verbrennungsluftverhältnisses λ_ab im Abgasstrom stromabwärts des LNT-Katalysators und stromaufwärts des SCR-Katalysators aufweisen. Das Verbrennungsluftverhältnis λ_ab im Abgasstrom stromabwärts des LNT-Katalysators kann je nach Ablauf der vorhergehenden Verfahrensschritte erstmals, erneut oder fortlaufend erfolgen.
Solange das Verbrennungsluftverhältnis λ_ab < 1 ist, wird der Abgasstrom weiterhin durch den den SCR-Katalysator umgehenden Bypass geleitet. Ist das Verbrennungsluftverhältnis λ_ab ≥ 1, wird das Leiten des Abgasstroms durch den Bypass beendet. Wird mit anderen Worten nachdem der Abgasstrom durch den Bypass geleitet wurde, stromabwärts des LNT-Katalysators kein fettes Abgasgemisch mehr detektiert, so wird das Bypassventil wieder geschlossen und der Abgasstrom durchströmt wieder den SCR-Katalysator.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Verfahren weiterhin ein Bestimmen der Temperatur des Abgasstroms aufweisen. Die bestimmte Temperatur kann mit einer zuvor festgelegten Grenztemperatur, z. B. einer Grenztemperatur im Bereich von 500 °C, verglichen werden. Der Abgasstrom wird lediglich dann durch den den SCR-Katalysator umgehenden Bypass geleitet, falls die Temperatur des Abgasstroms eine Grenztemperatur übersteigt.
Wird also die Grenztemperatur nicht oder nicht mehr überstiegen, kann das Aktivieren des Bypasses unterbleiben bzw. kann eine Deaktivierung des Bypasses erfolgen. Dadurch kann erreicht werden, dass nur bei Überschreiten der Grenztemperatur der Abgasstrom den Bypass durchströmt und entsprechend nicht im SCR-Katalysator nachbehandelt wird. Vorteilhaft wird hierdurch insbesondere eine irreversible Schädigung des SCR-Katalysators durch Kontakt mit einem fetten Abgasgemisch bei hohen Temperaturen vermieden. Die Grenztemperatur kann so gewählt sein, dass ein Kompromiss zwischen irreversibler Schädigung des SCR-Katalysators und Nachbehandlung des Abgasstroms zur Vermeidung der Emission von Luftschadstoffen gefunden wird.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten können die Verfahren weiterhin ein Zuführen eines Ammoniak bildenden Mittels zum Abgasstrom, falls der Abgasstrom durch den SCR-Katalysator geleitet wird sowie ein Beenden des Zuführens eines Ammoniak bildenden Mittels zum Abgasstrom, falls der Abgasstrom durch den Bypass geleitet wird, aufweisen. Hierdurch kann erreicht werden, dass Ammoniak nur gebildet wird, wenn dieser im SCR-Katalysator zur Abgasnachbehandlung benötigt wird. Eine unerwünschte Freisetzung von Ammoniak kann daher vermieden werden.
Mit anderen Worten kann anhand des Verbrennungsluftverhältnisses λ_ab festgelegt werden, ob der Abgasstrom weiterhin durch den Bypass geleitet werden soll oder ob eine Betriebsphase mit einem fetten Abgasgemisch, z. B. zur Regeneration des LNT-Katalysators, beendet ist und der Abgasstrom folglich wieder durch den SCR-Katalysator geleitet werden kann, um Stickoxide mittels des SCR-Katalysators aus dem Abgasstrom entfernen zu können.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden Beschreibung und den Abbildungen ersichtlich. Die Erfindung wird anhand der Abbildungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Abgassystems mit Verbrennungsmotor;
2 ein Ablaufschema eines Verfahrens zur Behandlung eines Abgasstroms;
3 ein Ablaufschema eines weiteren Verfahrens zur Behandlung eines Abgasstroms;
4 ein möglicher weiterer Verlauf des Verfahrens gemäß 3; und
5 Abhängigkeit des Anteils umgewandelter Stickoxide von der Temperatur für verschiedene SCR-Katalysatoren.

1 zeigt ein sich an einen Verbrennungsmotor 2 anschließendes Abgassystem 1 schematisch. Der Verbrennungsmotor 2 kann als selbstzündender Motor ausgebildet sein und beispielsweise mit Dieselkraftstoff betrieben werden. Der Verbrennungsmotor erzeugt einen Abgasstrom 3, der vom Abgassystem 1 aufgenommen wird. In Strömungsrichtung des Abgasstroms 3 beschrieben, weist das Abgassystem 1 einen LNT-Katalysator 4, einen Lambda-Sensor 8, ein Bypassventil 7 und einen SCR-Katalysator 5 auf. Der SCR-Katalysator 5 kann mittels des Bypasses 6 umgangen werden. Dazu kann der Abgasstrom 3 mittels des Bypassventils 7 so gesteuert werden, dass er entweder den SCR-Katalysator 5 oder den Bypass 6 durchströmt.
Darüber hinaus verfügt das Abgassystem 1 über einen weiteren Lambda-Sensor 9, der stromaufwärts des LNT-Katalysators 4 angeordnet ist. Die Lambda-Sensoren 8, 9 sind als Lambda-Sonden ausgebildet. Alternativ kann auch lediglich ein Lambda-Sensor 8, 9 vorhanden sein.
Beide Lambda-Sensoren 8, 9 sowie das Bypassventil 7 sind signaltechnisch mit der Steuereinheit 10 verbunden, die ein Steuersignal an das Bypassventil 7 in Abhängigkeit der Signale der Lambda-Sensoren 8, 9 ausgeben kann.
Optional kann der SCR-Katalysator 5 auch eine Partikelfilterfunktionalität aufweisen und als SDPF-Katalysator, d. h. als Partikelfilter mit SCR-Funktionalität, ausgebildet sein. Zwischen Bypassventil 7 und SCR-Katalysator 5 kann eine Zuführeinrichtung 11 für ein Ammoniak bildendes Mittel zum Abgasstrom 3, z. B. Harnstofflösung, angeordnet sein, so dass der SCR-Katalysator 5 die zur Umwandlung der Stickoxide benötigte Ammoniakmenge erhalten kann. Die Zuführeinrichtung 11 kann optional ebenfalls mittels der Steuereinheit 10 gesteuert werden. Beispielsweise kann die Zuführeinrichtung 11 lediglich dann aktiv sein, d. h. ein Ammoniak bildendes Mittel dem Abgasstrom 3 zuführen, wenn der Abgasstrom 3 den SCR-Katalysator 5 durchströmt. Ist hingegen der Bypass 6 aktiviert, kann die Zuführung gestoppt werden, da der SCR-Katalysator 5 in diesem Zeitraum keinen Ammoniak benötigt.
Das Verbrennungsluftverhältnis λ des den Verbrennungsmotor 2 verlassenden Abgasstroms 3 kann durch eine entsprechende Motorsteuerung festgelegt werden. Beispielsweise kann das Verbrennungsluftverhältnis λ in einem normalen Betriebsmodus größer 1 sein, d. h. der Verbrennungsmotor 2 wird mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben. Der Abgasstrom 3 wird dann im Abgassystem 1 mittels des LNT-Katalysators 4 und des SCR-Katalysators 5 nachbehandelt. Optional können weitere Abgasnachbehandlungseinrichtungen, z. B. Partikelfilter, vorhanden sein. Es besteht auch die Möglichkeit, einen Teil des Abgases wieder zurückzuführen, d. h. mit Frischluft vermischt dem Verbrennungsmotor 2 als Zuluft zuzuführen.
Zur Regeneration des LNT-Katalysators kann der Verbrennungsmotor 2 zeitweise mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch betrieben werden. Entsprechend weist dann auch der den Verbrennungsmotor 2 verlassende Abgasstrom 3 ein Verbrennungsluftverhältnis λ kleiner 1 auf. Der Abschluss der Regeneration kann anhand eines Verbrennungsluftverhältnis λ_ab < 1 stromabwärts des LNT-Katalysators 4 festgestellt werden. Das Betreiben des Verbrennungsmotors 2 mit dem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch kann bis zum Abschluss der Regeneration, aber auch für eine längere Zeitdauer, d. h. über den Lambdadurchbruch hinaus, erfolgen.
Mittels des Abgassystems 1 kann verhindert werden, dass ein Abgasgemisch mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ_ab < 1, welches während des Betreibens des Verbrennungsmotors 2 mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch entsteht, in den SCR-Katalysator 5 gelangt. Dazu kann das Abgassystem 1, wie nachfolgend mit Bezug auf die 2, 3 und 4 beschrieben, betrieben werden.
Optional kann das Abgassystem 1 einen Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur des Abgasstroms 3, beispielsweise stromaufwärts oder stromabwärts des LNT-Katalysators 4 angeordnet, aufweisen (nicht dargestellt). Der Temperatursensor kann ebenfalls signaltechnisch mit der Steuereinheit 10 verbunden sein, so dass die Steuereinheit 10 ein Steuersignal an das Bypassventil 7 in Abhängigkeit der Signale eines oder beider der Lambda-Sensoren 8, 9 sowie des Temperatursensors ausgeben kann.
2 zeigt ein Ablaufschema eines Verfahrens zur Behandlung eines von einem Verbrennungsmotor 2 erzeugten Abgasstroms 3. Nach dem Start des Verbrennungsmotors 2 wird dieser zunächst in einem mageren Betriebsmodus, d. h. mit einem mageren Luft-Kraftstoff-Gemisch, betrieben. Mittels des weiteren Lambda-Sensors 9 wird das Verbrennungsluftverhältnis λ_auf im Abgasstrom 3 stromaufwärts des LNT-Katalysators 4 bestimmt. Ist das Verbrennungsluftverhältnis λ_auf nicht kleiner 1, wird der magere Betriebsmodus ohne weitere Maßnahmen fortgeführt. Wird hingegen ein Verbrennungsluftverhältnis λ_auf < 1 bestimmt, so wird das Bypassventil 7 auf ein bevorstehendes Aktivieren des Bypasses 7 vorbereitet.
Weiterhin wird das Verbrennungsluftverhältnis λ_ab stromabwärts des LNT-Katalysators 4 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 5 mittels des Lambda-Sensors 8 bestimmt. Solange das Verbrennungsluftverhältnis λ_ab nicht kleiner 1 ist, verbleibt das Bypassventil 7 in einem vorbereiteten, aber geschlossenen Zustand. Der Abgasstrom 3 durchströmt den SCR-Katalysator 5. Wird ein Verbrennungsluftverhältnis λ_ab < 1 bestimmt, wird das Bypassventil 7 geöffnet, so dass der Abgasstrom 3 nunmehr den Bypass 6 anstelle des SCR-Katalysators 5 durchströmt. Der Abgasstrom 3 durchströmt den Bypass 6 bis das Verbrennungsluftverhältnis λ_ab nicht mehr kleiner 1 ist. Wird ein Verbrennungsluftverhältnis λ_ab ≥ 1 bestimmt, wird das Bypassventil 7 geschlossen und der Abgasstrom 3 durchströmt den SCR-Katalysator 5.
Optional kann ein Bestimmen der Temperatur des Abgasstroms 3 vorgesehen sein, wobei der Abgasstrom 3 nur dann durch den den SCR-Katalysator 5 umgehenden Bypass 6 geleitet wird, falls die Temperatur des Abgasstroms 3 eine Grenztemperatur von z. B. 500 °C übersteigt. Vor dem Schritt „Bypassventil öffnen, so dass Abgasstrom den Bypass durchströmt“ in 2 kann also eine Abfrage der Temperatur des Abgasstroms 3 vorgesehen sein. Übersteigt die Temperatur die Grenztemperatur, wird das Bypassventil geöffnet, anderenfalls wird die Temperatur des Abgasstroms 3 solange bestimmt und mit der Grenztemperatur verglichen wie ein Verbrennungsluftverhältnis λ_ab kleiner 1 bestimmt wird.
Der Ablauf eines alternativen Verfahrens zur Behandlung eines von einem Verbrennungsmotor 2 erzeugten Abgasstroms 3 ist in 3 schematisch dargestellt. Im Unterschied zum Verfahren gemäß 2 wird bei einem Verbrennungsluftverhältnis λ_auf < 1 der Zeitpunkt t₁ mittels eines Modells abgeschätzt, zu dem das Verbrennungsluftverhältnis λ_ab stromabwärts des LNT-Katalysators 4 kleiner 1 sein wird. Außerdem wird der Zeitpunkt t₀ festgelegt, der zeitlich vor dem Zeitpunkt t₁ liegt.
Ist der Zeitpunkt t₀ noch nicht erreicht, ist das Bypassventil 7 geschlossen bzw. wird das Bypassventil 7 geschlossen, so dass der Abgasstrom 3 den SCR-Katalysator 5 durchströmt. Das Erreichen des Zeitpunkt t₀ wird erneut geprüft. Ist der Zeitpunkt t₀ erreicht, wird das Bypassventil 7 geöffnet, so dass der Abgasstrom 3 den Bypass 6 anstelle des SCR-Katalysators 5 durchströmt.
Den weiteren möglichen Verlauf des Verfahrens gemäß 3 zeigt 4. Ausgegangen wird von einem Durchströmen des Bypasses 6 durch den Abgasstrom 3. Das Bypassventil 7 ist also geöffnet. In einem nächsten Schritt wird das Verbrennungsluftverhältnis λ_auf bestimmt. Ist λ_auf < 1, d. h. liegt ein fettes Abgasgemisch stromaufwärts des LNT-Katalysators 4 vor, bleibt das Bypassventil 7 weiter geöffnet und der Abgasstrom 3 durchströmt weiterhin den Bypass 6.
Gilt hingegen λ_auf < 1 nicht, d. h. liegt ein stöchiometrisches oder mageres Abgasgemisch stromaufwärts des LNT-Katalysators 4 vor, wird der Zeitpunkt t₂ abgeschätzt, zu dem das Verbrennungsluftverhältnis stromabwärts des LNT-Katalysators λ_ab ≥ 1 sein wird.
Ist der Zeitpunkt t₂ noch nicht erreicht, bleibt das Bypassventil 7 weiter geöffnet und der Abgasstrom 3 durchströmt weiterhin den Bypass 6. Ist der Zeitpunkt t₂ hingegen erreicht, wird das Bypassventil 7 geschlossen, d. h. das Leiten des Abgasstroms 3 durch den Bypass 6 wird beendet. Der Abgasstrom 3 durchströmt nunmehr den SCR-Katalysator 5.
Alternativ kann im Anschluss an das Verfahren gemäß 3 das Verbrennungsluftverhältnis λ_ab stromabwärts des LNT-Katalysators 4 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 5 bestimmt werden (in 4 nicht dargestellt), z. B. mittels des Lambda-Sensors 8. Wird ein Verbrennungsluftverhältnis λ_ab ≥ 1 bestimmt, wird das Bypassventil 7 wieder geschlossen und der Abgasstrom 3 durchströmt den SCR-Katalysator 5.
Auch die alternativen Verfahren gemäß 3 und 4 können optional ein Bestimmen der Temperatur des Abgasstroms 3 aufweisen, wobei die bestimmte Temperatur wie zu 2 beschrieben zur Entscheidung über die Aktivierung bzw. Deaktivierung des Bypasses genutzt werden kann.
5 zeigt den Anteil umgewandelter Stickoxide in Abhängigkeit der Temperatur für SCR-Katalysatoren 5 unter verschiedenen Bedingungen. Zu erkennen ist, dass die Anteile umgewandelter Stickoxide für einen ungebrauchten, d. h. bei 600 °C vorkonditionierten SCR-Katalysator 5, und für einen mageren Bedingungen bei 650 °C ausgesetzten SCR-Katalysator 5 annähernd gleich sind.
Demgegenüber ist aus 5 ersichtlich, dass der Anteil umgewandelter Stickoxide bei einem SCR-Katalysator 5, der abwechselnd mageren und fetten Bedingung bei 650 °C ausgesetzt ist, d. h. einem gemäß dem Stand der Technik eingesetzten SCR-Katalysator 5, deutlich reduziert ist.
Durch die Erfindung wird erreicht, dass der SCR-Katalysator 5 keinen schädigenden fetten Bedingungen ausgesetzt wird. Der Anteil umgewandelter Stickoxide entspricht damit der Kurve „SCR magere Bedingungen bei 650 °C“ in 5. Gegenüber der Kurve „SCR mager-fette Bedingungen bei 650 °C“ ist eine deutliche Verbesserung ersichtlich, d. h. ein höherer Anteil an Stickoxiden wird umgewandelt und die Schadstoffemission verringert.
Des Weiteren wird durch die Erfindung die Überwachung des SCR-Katalysators 5 vereinfacht. Üblicherweise wird nämlich die Ammoniakspeicherkapazität des SCR-Katalysators 5 überwacht, um eine optimale Menge an Harnstofflösung dem SCR-Katalysator 5 zuzuführen und eine unerwünschte Freisetzung von Ammoniak zu verhindern. Die Ammoniakspeicherkapazität wird dabei anhand eines Modells vorhergesagt, das die zugeführten Mengen an Stickoxiden und Ammoniak berücksichtigt. Zudem wird die normale Alterung des SCR-Katalysators 5 unter mageren Bedingungen aufgrund von hohen Temperaturen und dem Vorhandensein von Wasser berücksichtigt. Eine Berücksichtigung einer Verschlechterung des SCR-Katalysators 5 aufgrund der Zuführung eines fetten Abgasgemischs ist hingegen nicht vorgesehen.
Dies führt zu einer Abweichung der tatsächlichen Ammoniakspeicherkapazität von der vorhergesagten Ammoniakspeicherkapazität im Falle einer Verschlechterung aufgrund eines fetten Abgasgemischs. Dadurch, dass eine solche Verschlechterung mit der Erfindung weitgehend verhindert wird, führt die Erfindung zu einer verbesserten Übereinstimmung der vorhergesagten und tatsächlichen Ammoniakspeicherkapazität. In der Folge entspricht auch die zugeführte Menge an Harnstofflösung genauer der erforderlichen Menge an Harnstofflösung und eine unerwünschte Freisetzung an Ammoniak kann vermieden werden.
Bezugszeichenliste

1: Abgassystem
2: Verbrennungsmotor
3: Abgasstrom
4: LNT-Katalysator
5: SCR-Katalysator
6: Bypass
7: Bypassventil
8: Lambda-Sensor
9: weiterer Lambda-Sensor
10: Steuereinheit
11: Zuführeinrichtung

λ_ab: Verbrennungsluftverhältnis stromabwärts des LNT-Katalysators
λ_auf: Verbrennungsluftverhältnis stromaufwärts des LNT-Katalysators

t₀: Zeitpunkt vor dem Zeitpunkt t₁
t₁: Zeitpunkt, zu dem das Verbrennungsluftverhältnis stromabwärts des LNT-Katalysators λ_ab < 1 sein wird
t₂: Zeitpunkt, zu dem das Verbrennungsluftverhältnis stromabwärts des LNT-Katalysators λ_ab ≥ 1 sein wird

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013106323 A1 [0009, 0010]

Claims

Abgassystem (1) zur Aufnahme eines von einem Verbrennungsmotor (2) erzeugten Abgasstroms (3), aufweisend: - einen LNT-Katalysator (4), - einen stromabwärts des LNT-Katalysators (4) angeordneten SCR-Katalysator (5), - einen Bypass (6) zur Umgehung des SCR-Katalysators (5), - ein Bypassventil (7) zur Aufteilung des Abgasstroms (3) auf den Bypass (6) und den SCR-Katalysator (5) und - einen stromaufwärts des LNT-Katalysators (4) oder stromabwärts des LNT-Katalysators (4) und stromaufwärts des Bypassventils (7) angeordneten Lambda-Sensor (8, 9).
Abgassystem (1) nach Anspruch 1, aufweisend: - einen stromaufwärts des LNT-Katalysators (4) oder stromabwärts des LNT-Katalysators (4) und stromaufwärts des Bypassventils (7) angeordneten weiteren Lambda-Sensor (8, 9).
Abgassystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend: - einen Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur des Abgasstroms (3).
Abgassystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend: - eine Zuführeinrichtung (11) zur Zuführung eines Ammoniak bildenden Mittels zum Abgasstrom (3).
Abgassystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend: - eine Steuereinheit (10), die dazu eingerichtet und ausgebildet ist, ein Steuersignal an das Bypassventil (7) in Abhängigkeit von Sensorsignalen der Lambda-Sensoren (8, 9) oder in Abhängigkeit von Sensorsignalen der Lambda-Sensoren (8, 9) sowie des Temperatursensors auszugeben.
Abgassystem (1) nach Anspruch 5, wobei die Steuereinheit (10) weiterhin dazu eingerichtet und ausgebildet ist, ein Steuersignal an die Zuführeinrichtung (11) in Abhängigkeit von Sensorsignalen der Lambda-Sensoren (8, 9) oder in Abhängigkeit von Sensorsignalen der Lambda-Sensoren (8, 9) sowie des Temperatursensors auszugeben.
Kraftfahrzeug mit einem Abgassystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Verfahren zur Behandlung eines von einem Verbrennungsmotor (2) erzeugten Abgasstroms (3), aufweisend die folgenden Schritte: - Leiten des Abgasstroms (3) durch einen LNT-Katalysator (4), - Bestimmen des Verbrennungsluftverhältnisses λ_ab im Abgasstrom (3) stromabwärts des LNT-Katalysators (4) und stromaufwärts eines SCR-Katalysators (5), - Leiten des Abgasstroms (3) durch den SCR-Katalysator (5), falls das Verbrennungsluftverhältnis λ_ab ≥ 1 ist, und - Leiten des Abgasstroms (3) durch einen den SCR-Katalysator (5) umgehenden Bypass (6), falls das Verbrennungsluftverhältnis λ_ab < 1 ist.
Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin aufweisend: - Bestimmen des Verbrennungsluftverhältnisses λ_auf im Abgasstrom (3) stromaufwärts des LNT-Katalysators (4) und - Vorbereiten des Leitens des Abgasstroms (3) durch den Bypass (6), falls das Verbrennungsluftverhältnis λ_auf < 1 ist.
Verfahren zur Behandlung eines von einem Verbrennungsmotor (2) erzeugten Abgasstroms (3), aufweisend die folgenden Schritte: - Bestimmen des Verbrennungsluftverhältnisses λ_auf im Abgasstrom (3) stromaufwärts eines LNT-Katalysators (4), - Leiten des Abgasstroms (3) durch den LNT-Katalysator (4), - falls das Verbrennungsluftverhältnis λ_auf ≥ 1 ist, Leiten des Abgasstroms (3) durch einen SCR-Katalysator stromabwärts des LNT-Katalysators (4), - falls das Verbrennungsluftverhältnis λ_auf < 1 ist, Abschätzen eines Zeitpunkts t₁, zu dem das Verbrennungsluftverhältnis stromabwärts des LNT-Katalysators (4) λ_ab < 1 sein wird, - falls der Zeitpunkt t₁ nicht erreicht ist, Leiten des Abgasstroms (3) durch einen SCR-Katalysator (5) stromabwärts des LNT-Katalysators (4), und - ab Erreichen des Zeitpunkts t₁, Leiten des Abgasstroms (3) durch einen den SCR-Katalysator (5) umgehenden Bypass (6).
Verfahren nach Anspruch 10, aufweisend: - Festlegen eines Zeitpunkts t₀ vor dem Zeitpunkt t₁, - falls der Zeitpunkt t₀ nicht erreicht ist, Leiten des Abgasstroms (3) durch den SCR-Katalysator (5), und - ab Erreichen des Zeitpunkts t₀, Leiten des Abgasstroms (3) durch den den SCR-Katalysator (5) umgehenden Bypass (6).
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, weiterhin aufweisend: - Bestimmen eines Verbrennungsluftverhältnisses λ_auf im Abgasstrom (3) stromaufwärts des LNT-Katalysators (4), - falls das Verbrennungsluftverhältnis λ_auf ≥ 1 ist, Abschätzen eines Zeitpunkts t₂, zu dem das Verbrennungsluftverhältnis stromabwärts des LNT-Katalysators (4) λ_ab ≥ 1 sein wird, - Beenden des Leitens des Abgasstroms (3) durch den den SCR-Katalysator (5) umgehenden Bypass (6), falls der Zeitpunkt t₂ erreicht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, weiterhin aufweisend: - Bestimmen eines Verbrennungsluftverhältnisses λ_ab im Abgasstrom (3) stromabwärts des LNT-Katalysators (4) und stromaufwärts des SCR-Katalysators (5) und - Beenden des Leitens des Abgasstroms (3) durch den den SCR-Katalysator (5) umgehenden Bypass (6), falls das Verbrennungsluftverhältnis λ_ab ≥ 1 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, weiterhin aufweisend: - Bestimmen der Temperatur des Abgasstroms (3), wobei der Abgasstrom (3) nur dann durch den den SCR-Katalysator (5) umgehenden Bypass (6) geleitet wird, falls die Temperatur des Abgasstroms (3) eine Grenztemperatur übersteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, weiterhin aufweisend: - Zuführen eines Ammoniak bildenden Mittels zum Abgasstrom (3), falls der Abgasstrom (3) durch den SCR-Katalysator (5) geleitet wird, und - Beenden des Zuführens eines Ammoniak bildenden Mittels zum Abgasstrom (3), falls der Abgasstrom (3) durch den Bypass (6) geleitet wird.