DE102018203300B4

DE102018203300B4 - Anordnung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgastrakt, Kraftfahrzeug sowie Verfahren zum Steuern einer Abgasnachbehandlung

Info

Publication number: DE102018203300B4
Application number: DE102018203300.5A
Authority: DE
Inventors: Felix Göbel; Hans-Günter Grosch; Rainer Lach; Richard Fritsche
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2018-03-06
Filing date: 2018-03-06
Publication date: 2023-07-06
Anticipated expiration: 2038-03-07
Also published as: CN110230529A; US10947883B2; US20190277179A1; DE102018203300A1

Abstract

Anordnung (1) einer Brennkraftmaschine mit einem Abgastrakt (2), in dem mindestens ein Oxidationskatalysator (5) und mindestens ein erster Stickoxidspeicherkatalysator (4) in einer gemeinsamen ersten Katalysatoreinrichtung (3), stromabwärts davon mindestens ein erster Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (9) und mindestens ein Partikelfilter (10) angeordnet sind sowie stromaufwärts des Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion mindestens eine Zuführeinrichtung für ein Reduktionsmittel (11) angeordnet ist, bei der die erste Katalysatoreinrichtung (3) einen ersten, innenliegenden Bereich (31) und einen zweiten, außenliegenden Bereich (32) aufweist, und bei der am stromaufwärtigen Ende eine Schalteinrichtung (6) zum Steuern des Abgasstroms angeordnet ist, die ausgebildet ist, in einem ersten Arbeitsmodus Abgas durch den innenliegenden Bereich (31) und in einem zweiten Arbeitsmodus Abgas durch den außenliegenden Bereich (32) zu leiten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgastrakt, bei der das Abgas in Abhängigkeit von bestimmten Parametern wahlweise durch einen Stickoxidspeicherkatalysator oder einen Oxidationskatalysator geleitet werden kann, ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Steuern einer Abgasnachbehandlung.
Mit Blick auf das Erfüllen aktueller und künftiger Emissionsvorgaben für Brennkraftmaschinen werden hohe Anforderungen an die Abgasnachbehandlung gestellt. Dabei ist eine effiziente Funktion entsprechender Einrichtungen zur Abgasnachbehandlung über den gesamten Betriebsbereich einer Brennkraftmaschine erforderlich. Bekannte Methoden zur katalytisch unterstützten Abgasreinigung funktionieren unter unterschiedlichen Randbedingungen besonders effizient.
Zur Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgas kommen Stickoxidspeicherkatalysatoren (auch NOx Speicherkat genannt, auf Englisch lean NOx trap, LNT) und/oder Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) zum Einsatz. LNT werden zur temporären Adsorption von Stickoxiden aus dem Abgas von Brennkraftmaschinen verwendet. Daneben erfüllen sie Aufgaben der oxidativen Nachbehandlung von Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffen (HC). Im Magerbetrieb einer Brennkraftmaschine entstehende Stickoxide können in einem LNT gespeichert werden; dazu oxidiert der LNT das im mageren Abgas enthaltene Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO₂) und speichert es anschließend in Form von Nitraten. Adsorptionsmittel, die in der Beschichtung des LNT verwendet werden, sind z.B. Barium- und/oder andere Oxide.
Ist die Speicherkapazität eines LNT erschöpft, muss er regeneriert werden. Bei einem Regenerationsereignis (Purge) werden fette, unterstöchiometrische Abgasbedingungen bereitgestellt, z.B. durch ein Betreiben der Brennkraftmaschine mit einem entsprechenden Kraftstoff-Luft-Gemisch; dabei werden die gespeicherten Stickoxide wieder desorbiert und an katalytisch aktiven Komponenten des LNT mit Hilfe der Bestandteile im fetten Abgas (CO, HC) zu Stickstoff reduziert. Neben einem nur zur Regeneration bewirkten Purge wird der LNT natürlich auch regeneriert, wenn das Abgas z.B. auf Grund einer Leistungsanforderung der Brennkraftmaschine unterstöchiometrisch wird. Zur Reduktion von desorbierten Stickoxiden, die im LNT nicht reduziert werden, kann ein stromabwärts angeordneter Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) vorgesehen werden.
In einem Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) werden unter Verwendung eines Reduktionsmittels, besonders Ammoniak, Stickoxide zu elementarem Stickstoff und Wasser reduziert. Ammoniak kann dabei in Form einer wässrigen Harnstofflösung (z.B. AdBlue®) stromaufwärts des SCR in den Abgastrakt eingeleitet werden, das in Ammoniak und Kohlendioxid hydrolysiert wird. Ammoniak kann auch gasförmig in den Abgastrakt eingeleitet werden, oder bei der Regeneration eines LNT entstehen und in einen stromabwärts angeordneten SCR gelangen. In allen Fällen wird Ammoniak in dem SCR gespeichert, um unter mageren Abgasbedingungen Stickoxide zu Stickstoff zu reduzieren.
Das eine gute Effizienz bedingende Temperaturfenster eines LNT liegt in einem Bereich von 150 - 500°C, das eines SCR in einem Bereich von 200 - 500°C. Ein LNT funktioniert dabei besonders gut in einem niedrigen Temperaturfenster bei geringen bis mittleren Lastzuständen der Brennkraftmaschine. Dieser Betriebsarbeitsmodus ist besonders häufig bei einem Einsatz eines Kraftfahrzeugs in einer urbanen Umgebung zu finden.
Eine effektive und damit sinnvolle Arbeitsweise eines SCR-Katalysators ist bei Abgastemperaturen oberhalb von 200°C gegeben. Der Einsatz eines SCR ist daher in hochlastigen, emissionsintensiven Betriebspunkten der Brennkraftmaschine aufgrund seiner hohen Konvertierungsleistung besonders vorteilhaft. Dieser Betriebsarbeitsmodus ist besonders häufig bei einem Einsatz eines Kraftfahrzeugs außerhalb einer urbanen Umgebung zu finden.
Eine weitere Komponente zur katalytischen Abgasnachbehandlung sind Oxidationskatalysatoren. Diese dienen zur Entfernung vom Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen aus dem Abgas von Brennkraftmaschinen, besonders von selbstzündenden Brennkraftmaschinen. Dabei werden Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffe zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert. Eine Reduktion von Stickoxiden ist in einem Oxidationskatalysator nicht möglich. Diese werden daher in einem LNT und/oder in einem SCR reduziert.
Aus der DE 10 2016 222 010 A1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem mit mehreren Katalysatoreinrichtungen bekannt. Eine erste Katalysatoreinrichtung weist einen ersten LNT und einen Oxidationskatalysator auf. Eine stromabwärts der ersten Katalysatoreinrichtung angeordnete zweite Katalysatoreinrichtung weist einen SCR und einen Partikelfilter auf. Zwischen der ersten und der zweiten Katalysatoreinrichtung ist eine Reduktionsmittelzuführeinrichtung angeordnet.
Die DE 10 2015 219 028 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgaskanal, einem im Abgaskanal angeordneten Drei-Wege-Katalysator, einem ersten LNT sowie einem stromab des ersten LNT und stromab des Drei-Wege-Katalysators angeordneten zweiten LNT. Zudem sind ein Bypasskanal, der einen Bypass für den zweiten LNT ausbildet, und ein Schaltelement, welches ein Umschalten des Abgasstroms zwischen einem den zweiten LNT aufweisenden Hauptarm und dem Bypasskanal ermöglicht, vorgesehen.
Ein LNT hat allerdings die Eigenschaft, ein für die Funktion eines SCR vorteilhaftes Verhältnis von Stickstoffdioxid zu Stickstoffmonoxid von 50:50 ungünstig zu einem hohen Stickstoffmonoxid-Anteil zu verändern. Es ist daher wünschenswert, den Abgasstrom so zu steuern, dass bei bestimmten Temperaturen der LNT nicht verwendet wird. Damit besteht die Aufgabe, die Abgasnachbehandlung in Bezug auf die Reduktion von Stickoxiden zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 8 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Neben- und Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen. Die Ausgestaltungen der Erfindung sind in vorteilhafter Weise miteinander kombinierbar.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Anordnung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgastrakt, in dem mindestens ein Oxidationskatalysator und mindestens ein erster Stickoxidspeicherkatalysator in einer gemeinsamen ersten Katalysatoreinrichtung, stromabwärts davon mindestens ein erster Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion und mindestens ein Partikelfilter angeordnet sind sowie stromaufwärts des Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion mindestens eine Zuführeinrichtung für ein Reduktionsmittel (11) angeordnet ist, bei der die erste Katalysatoreinrichtung einen außenliegenden Bereich und einen innenliegenden Bereich aufweist, und bei der am stromaufwärtigen Ende eine Schalteinrichtung zum Steuern des Abgasstroms angeordnet ist, die ausgebildet ist, in einem ersten Arbeitsmodus Abgas durch den innenliegenden Bereich und in einem zweiten Arbeitsmodus Abgas durch den außenliegenden Bereich zu leiten.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist vorteilhaft, weil sie die Abgasnachbehandlung im Abgastrakt mit einer schaltbaren Komponente ausstattet. Diese ermöglicht, den Abgasstrom mit einer geeigneten Kontrollstrategie zu regeln. Es wird vorteilhaft ermöglicht, den Abgasstrom in Abhängigkeit von funktionsrelevanten Betriebsparametern zum Maximieren der Reinigungseffizienz der Anlage den unterschiedlichen Komponenten entsprechend ihrer Leistungsattribute zuzuführen.
Die Brennkraftmaschine ist besonders eine selbstzündende Brennkraftmaschine. Der Partikelfilter ist demzufolge besonders ein Dieselpartikelfilter.
Die Schalteinrichtung ist ausgebildet, den Abgasstrom wahlweise durch den außenliegenden Bereich und/oder den innenliegenden Bereich der ersten Katalysatoreinrichtung zu leiten. Dazu weist die Schalteinrichtung Öffnungen zum Durchströmen des Abgases auf, die entsprechend zumindest teilweise geöffnet und geschlossen werden.
Vorzugsweise ist in der Anordnung der Oxidationskatalysator im außenliegenden Bereich der ersten Katalysatoreinrichtung angeordnet. Die außenliegende Position des Oxidationskatalysators ist vorteilhaft, da hiermit eine gute thermische Kopplung mit der Umgebung gewährleistet ist. Dadurch kann ein Überhitzen der Abgasnachbehandlungskomponente vermieden werden.
Vorzugsweise ist in der Anordnung der Stickoxidspeicherkatalysator im innenliegenden Bereich der ersten Katalysatoreinrichtung angeordnet. Die innenliegende Position des LNT ist vorteilhaft, weil hiermit eine gute thermische Isolation gegenüber der Umgebung gewährleistet ist. Dadurch werden Temperaturverluste minimiert und der Katalysator kann in einem typischen Temperaturfenster (150 - 350°C) mit optimaler Effizienz betrieben werden.
In der erfindungsgemäßen Anordnung sind der Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion und der Partikelfilter vorzugsweise in einer gemeinsamen zweiten Katalysatoreinrichtung angeordnet. Dabei können die besagten Einrichtungen auch miteinander kombiniert sein, d.h. der Partikelfilter kann eine als SCR wirksame Beschichtung aufweisen. Die Integration von Filter und SCR ermöglicht vorteilhaft eine Anordnung nahe an der Brennkraftmaschine, was sich günstig auf die Funktion auswirkt. Weiterhin ist die Kombination raumsparend.
Es ist wünschenswert, dass in einem Partikelfilter mit SCR-Beschichtung die Verteilung von eingeleitetem Reduktionsmittel gleichmäßig über den Filter erfolgt, so dass die SCR-Funktion über den ganzen Filterbereich ausgenutzt werden kann. Vorzugsweise ist deshalb in der Anordnung im Abgasstrakt stromaufwärts des Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion eine Mischeinrichtung für fluide Medien angeordnet.
Vorzugsweise ist der Oxidationskatalysator zu einer hohen Konvertierungsleistung von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid optimiert. Damit wird vorteilhaft das Verhältnis von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid auf 50:50 gesteuert, welches sich günstig auf die Konvertierungsleistung des SCR auswirkt.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Anordnung.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Abgasnachbehandlung mit einer erfindungsgemäßen Anordnung. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte:

- Betreiben der Brennkraftmaschine,
- Ermitteln einer ersten Abgastemperatur im Bereich stromaufwärts der ersten Katalysatoreinrichtung,
- Schalten der Schalteinrichtung in den ersten Arbeitsmodus, wenn die erste Abgastemperatur unter oder gleich einem ersten Schwellenwert der Temperatur ist und in den zweiten Arbeitsmodus, wenn die erste Abgastemperatur über dem ersten Schwellenwert liegt,
- Ermitteln der Raumgeschwindigkeit des Abgases im Bereich der ersten Katalysatoreinrichtung,
- Belassen der Schalteinrichtung im ersten Arbeitsmodus, wenn die Raumgeschwindigkeit unter oder gleich einem Schwellenwert der Raumgeschwindigkeit ist und Schalten in den zweiten Arbeitsmodus, wenn die Raumgeschwindigkeit über dem besagten Schwellenwert liegt.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen denen der erfindungsgemäßen Anordnung. Weiterhin ist das Schalten der Schalteinrichtung in den zweiten Arbeitsmodus vorteilhaft, weil bei hohen Temperaturen und einer hohen Raumgeschwindigkeit des Abgases der SCR effizient für die Reduktion von Stickoxiden verwendet werden kann. Dies ist besonders bei hochlastigen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine vorteilhaft.
Zum Ermitteln der Temperatur und Raumgeschwindigkeit des Abgases sind beispielsweise Sensoren im Abgastrakt angeordnet. Die besagten Parameter können alternativ oder zusätzlich auch modellbasiert ermittelt werden.
Vorzugsweise wird eine zweite Abgastemperatur im Bereich des SCR ermittelt und mittels der Zuführeinrichtung Reduktionsmittel in den Abgastrakt eingeleitet, wenn die zweite Abgastemperatur größer oder gleich einem zweiten Schwellenwert der Temperatur ist und kein Reduktionsmittel in den Abgastrakt eingeleitet wird, wenn die zweite Abgastemperatur unter einem zweiten Schwellenwert der Temperatur liegt. Dabei wird besonders bei hohen Temperaturen ab dem zweiten Schwellenwert Reduktionsmittel eingeleitet, da zuvor im SCR gespeichertes Ammoniak, dass z.B. während einer Regeneration im LNT gebildet wurde und in den SCR geleitet wurde, bei hohen Temperaturen aus dem SCR durch Schlupf entweichen und nicht ausreichend für die Reduktion von Stickoxiden zur Verfügung stehen kann.
Weiterhin wird vorzugsweise ein Verhältnis von Stickstoffdioxid zu Stickstoffmonoxid von 50% angestrebt, wenn die Schalteinrichtung in den zweiten Arbeitsmodus geschaltet ist. Eine Aufteilung von 50% Stickstoffdioxid zu Stickstoffmonoxid ist für eine effiziente Reduktion im SCR, besonders in Verbindung mit Ammoniak, vorteilhaft. Dabei ist die Verwendung eines Oxidationskatalysators besonders vorteilhaft, weil dieser ausgebildet ist, neben einer Konvertierung der Schadstoffkomponenten Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe zumindest teilweise Stickstoffmonoxid in Stickstoffdioxid zu oxidieren. Das Verhältnis der Stickoxide lässt sich durch eine entsprechende, dem Fachmann klare entsprechende Optimierung des Oxidationskatalysators beeinflussen.
Weiterhin wird in dem Verfahren die Schalteinrichtung zusätzlich in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine in den ersten oder zweiten Arbeitsmodus geschaltet. Bei einem hochlastigen Betriebspunkt, bei dem vergleichsweise wärmeres Abgas produziert wird, ist der zweite Arbeitsmodus vorteilhaft, weil das Abgas dann über den Oxidationskatalysator zum SCR geleitet wird, der bei höheren Temperaturen effizienter funktioniert als ein LNT. Zudem wird der LNT nicht durch hohe Temperaturen belastet. Ein Temperaturfenster von 250 - 500°C ist für den Betrieb der SCR vorteilhaft und für eine effiziente Funktion des SCR vorzugsweise einzuhalten. Bei einem niedriglastigen Betriebspunkt, bei dem vergleichsweise kühleres Abgas produziert wird, ist der erste Arbeitsmodus vorteilhaft, weil so die niedrigere Betriebstemperatur des LNT (150 - 350°C) für eine effiziente Abgasnachbehandlung genutzt werden kann. Dabei kann der LNT neben der Konvertierung der der Schadstoffkomponenten Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe Stickoxide einspeichern. Das bei einer zyklischen Regeneration vom LNT entstehende Ammoniak kann von dem nachgeschalten SCR (oder SCR-beschichtetem Partikelfilter) eingespeichert und für eine spätere Stickoxid-Reduktion bei höheren Temperaturen verwendet werden.
Weiterhin wird in dem Verfahren die Schalteinrichtung zusätzlich in Abhängigkeit von einer Kombination aus verschiedenen Parametern im Sinne eines 3D-Mappings in der Steuerung der Brennkraftmaschine in den ersten oder zweiten Arbeitsmodus geschaltet. Dadurch können weitere Parameter vorteilhaft in die Steuerung der Abgasnachbehandlung einfließen.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.
2 eine Ausführungsform einer Schalteinrichtung in der Anordnung gemäß 1 in einem ersten Arbeitsmodus.
3 die Schalteinrichtung gemäß 2 in einem zweiten Arbeitsmodus.
4 die Schalteinrichtung gemäß 2 und 3 mit einer ersten Katalysatoreinrichtung der Anordnung gemäß 1.
5 die Anordnung gemäß 1 in einem ersten Arbeitsmodus.
6 die Anordnung gemäß 1 in einem zweiten Arbeitsmodus.
7 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
8 ein Arbeitsmodusdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In 1 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung 1 zur Abgasnachbehandlung dargestellt. In der Anordnung 1 ist ein Abgastrakt 2 gezeigt, der zum Leiten von Abgas einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine dient. Die Brennkraftmaschine ist eine selbstzündende Brennkraftmaschine. Dabei ist die Anordnung alternativ auch für das Abgas einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine verwendbar. Durch den roten Pfeil wird die Strömungsrichtung des Abgases im Abgastrakt 2 indiziert.
Im Abgastrakt 2 ist eine erste Katalysatoreinrichtung 3 angeordnet. Die erste Katalysatoreinrichtung 3 weist einen ersten (innenliegenden) Bereich 31 und einen zweiten (außenliegenden) Bereich 32 auf. In dem ersten Bereich 31 ist ein Stickoxidspeicherkatalysator 4 (LNT) und in dem zweiten Bereich 32 ein Dieseloxidationskatalysator 5 (DOC) angeordnet.
Stromaufwärts der ersten Katalysatoreinrichtung 3 ist eine Schalteinrichtung 6 angeordnet. Die Schalteinrichtung 6 ist ausgebildet, den Abgasstrom wahlweise durch den außenliegenden Bereich und/oder den innenliegenden Bereich der ersten Katalysatoreinrichtung 3 zu leiten. Dazu weist die Schalteinrichtung 6 Öffnungen zum Durchströmen des Abgases auf, die entsprechend zumindest teilweise geöffnet und geschlossen werden.
Eine Ausführungsform der Schalteinrichtung 6 weist eine erste Platte 61 und eine zweite Platte 62 auf (2 - 4). Die Platten sind entsprechend der Ausbildung der ersten Katalysatoreinrichtung 3 rund. Sie weisen jeweils einen inneren Bereich (611 bzw. 621) und einen äußeren Bereich (612 bzw. 622) auf, in denen jeweils eine Anzahl von gleichmäßig voneinander beabstandeten Öffnungen 63 ausgebildet ist. Die Öffnungen sind derart ausgebildet und angeordnet, dass sich die einander entsprechenden Öffnungen 63 der inneren Bereiche 611, 621 oder der äußeren Bereiche 612, 622 in einer bestimmten Stellung der Platten 61 und 62 zueinander in einer Flucht befinden können.
Zwischen den Öffnungen 63 ist jeweils ein bestimmter Abstand in Umfangsrichtung vorgesehen, der so groß ist, dass sich in einer bestimmten Stellung der Platten 61 und 62 zueinander in einem Bereich die Öffnungen 63 der einen Ventilplatte durch das Material der anderen Ventilplatte verdeckt werden können. Bei der ersten Platte 61 sind die Öffnungen 63 des inneren Bereichs 611 versetzt zu den Öffnungen 63 des äußeren Bereichs 612 angeordnet. Die Öffnungen 63 des inneren Bereichs 621 und des äußeren Bereichs 622 der zweiten Platte 62 sind nicht versetzt zueinander angeordnet. Die Drehbewegung der Platten relativ zueinander wird durch einen Aktuator 64 bewirkt, der über einen Adapter 65 mit einer der Platten verbunden ist. Die Bewegung der Platten relativ zueinander wird durch eine Steuerungseinrichtung 7 gesteuert, die den Aktuator 64 ansteuert.
Die inneren Bereiche der Platten 611, 621 sind bündig mit dem inneren Bereich 31 der Katalysatoreinrichtung 3 gekoppelt (4). Die äußeren Bereiche der Platten 621, 622 sind bündig mit dem äußeren Bereich 32 der Katalysatoreinrichtung 3 gekoppelt (4). In einem ersten Arbeitsmodus der Schalteinrichtung 6 ist es vorgesehen, dass die Platten 61, 62 so eingestellt sind, dass die Öffnungen 63 der inneren Bereiche der Platten 611, 621 einander mindestens teilweise überlappen (2). Idealerweise überlappen dabei die besagten Öffnungen 63 einander vollständig, d.h. sind bündig übereinander angeordnet. Gleichzeitig überlappen dabei die Öffnungen 63 der äußeren Bereiche der Platten 612, 622 einander nicht, so dass sie einander verschließen. Auf diese Weise wird Abgas durch die Öffnungen 63 der inneren Bereiche 611, 621 der Schalteinrichtung 6 gelenkt und damit durch den im inneren Bereich 31 der ersten Katalysatoreinrichtung 3 angeordneten LNT 4 (5).
In einem zweiten Arbeitsmodus der Schalteinrichtung 6 ist es vorgesehen, dass die Platten 61, 62 so eingestellt sind, dass die Öffnungen 63 der äußeren Bereiche der Platten 612, 622 einander mindestens teilweise überlappen ( 3). Idealerweise überlappen dabei die besagten Öffnungen 63 einander vollständig, d.h. sind bündig übereinander angeordnet. Gleichzeitig überlappen dabei die Öffnungen 63 der inneren Bereiche der Platten 611, 621 einander nicht, so dass sie einander verschließen. Auf diese Weise wird Abgas durch die Öffnungen 63 der äußeren Bereiche 612, 622 der Schalteinrichtung 6 gelenkt und damit durch den im äußeren Bereich 32 der ersten Katalysatoreinrichtung 3 angeordneten DOC 5 (6).
Es ist auch möglich, dass in einem dritten Arbeitsmodus die Öffnungen 63 der inneren Bereiche 611, 621 und der äußeren Bereiche 612, 622 einander überlappen. In diesem Fall würde Abgas durch den LNT 4 und den DOC 5 geleitet werden.
In einer alternativen Ausführungsform der Schalteinrichtung 6 weist diese Öffnungen auf, die separat ansteuerbar und entsprechend zu öffnen und zu schließen sind. Dazu können beispielsweise Klappen an den Öffnungen vorhanden sein, die mit Aktuatoren verbunden sind.
Stromabwärts von der ersten Katalysatoreinrichtung 3 ist eine zweite Katalysatoreinrichtung 8 angeordnet. In der zweiten Katalysatoreinrichtung 8 ist ein Katalysator zur selektiven Reduktion 9 (SCR) und ein Dieselpartikelfilter 10 angeordnet. Der SCR 9 und der Filter 10 können einzeln angeordnet sein oder miteinander kombiniert, z.B. in Form einer SCR-Beschichtung des Filters 10.
Stromaufwärts der zweiten Katalysatoreinrichtung 8 ist eine Zuführeinrichtung 11 zum Einleiten eines Reduktionsmittels in den Abgastrakt 2 angeordnet. Das Reduktionsmittel ist zum Reduzieren von Stickoxiden im SCR 9 vorgesehen. Als Reduktionsmittel wird besonders eine wässrige Harnstofflösung (z.B. AdBlue®) in den Abgastrakt 2 eingeleitet, die in Wasser und Ammoniak hydrolisiert wird. Die Harnstofflösung kann in flüssiger Form eingeleitet oder z.B. auch eingedüst werden, wenn die Zuführeinrichtung 11 als Düse ausgebildet ist. Es kann auch gasförmiges Ammoniak in den Abgastrakt 2 eingeleitet werden.
Zum gleichmäßigen Verteilen des eingeleiteten Reduktionsmittels ist eine Mischeinrichtung 12 im Bereich der Zuführeinrichtung 11 im Abgastrakt 2 angeordnet. Die Mischeinrichtung 12 weist beispielsweise mehrere Schaufeln auf, auf die der Abgasstrom trifft und dabei das eingeleitete Reduktionsmittel im Abgastrakt 2 verwirbelt. Die Mischeinrichtung 12 ist stromabwärts der Zuführeinrichtung 11 im Abgastrakt 3 angeordnet.
Im Abgastrakt 2 ist mindestens ein Temperatursensor 13 stromaufwärts der ersten Katalysatoreinrichtung 3 angeordnet. Ein weiterer Temperatursensor 13 ist stromaufwärts der zweiten Katalysatoreinrichtung 8 angeordnet. Die Temperatursensoren 13 sind mit der Steuerungseinrichtung 7 verbunden, an die Messwerte übermittelt werden. Im LNT 4 und DOC 5 ist jeweils mindestens ein Durchflusssensor 14 angeordnet. Die Durchflusssensoren 14 sind jeweils ebenfalls mit der Steuerungseinrichtung 7 verbunden, an die Messwerte übermittelt werden. Besagte Sensoren wie auch andere Sensoren, z.B. Drucksensoren, Stickoxidsensoren und/oder Sauerstoffsensoren, können an diversen Stellen im Abgastrakt 2 angeordnet sein.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren zum Steuern einer Abgasnachbehandlung gemäß 7 mittels einer Einrichtung gemäß 1 wird in einem ersten Schritt S1 die Brennkraftmaschine betrieben. In einem zweiten Schritt S2 wird die Abgastemperatur im stromaufwärtigen Bereich der ersten Katalysatoreinrichtung 3 ermittelt. Dabei werden durch den Temperatursensor 13 Werte gemessen und an die Steuereinrichtung 7 übermittelt. Alternativ können die Temperaturen auch modellbasiert ermittelt werden.
In einem dritten Schritt S3 wird die Schalteinrichtung 6 in den ersten Arbeitsmodus geschaltet, wenn die Abgastemperatur unter oder gleich einem ersten Schwellenwert der Temperatur ist (5). Dazu erteilt die Steuereinrichtung 7 einen entsprechenden Steuerbefehl an den Aktuator 64 der Schalteinrichtung 6, die die Öffnungen im inneren Bereich der Schalteinrichtung 6 auf Durchlass stellt. Die Schalteinrichtung 6 wird in den zweiten Arbeitsmodus geschaltet, wenn die Abgastemperatur über dem ersten Schwellenwert liegt (6). Dazu erteilt die Steuereinrichtung 7 einen entsprechenden Steuerbefehl an den Aktuator der Schalteinrichtung 6, die die Öffnungen im äußeren Bereich der Schalteinrichtung 6 auf Durchlass stellt. Befindet sich die Schalteinrichtung 6 bereits im ersten Arbeitsmodus, wenn die Abgastemperatur unter oder gleich dem ersten Schwellenwert ist, bleibt sie im ersten Arbeitsmodus. Befindet sich die Schalteinrichtung 6 bereits im zweiten Arbeitsmodus, wenn die Abgastemperatur über dem ersten Schwellenwert liegt, bleibt sie im zweiten Arbeitsmodus.
In einem vierten Schritt S4 wird die Raumgeschwindigkeit des Abgases ermittelt. Die Raumgeschwindigkeit wird z.B. im Volumen des LNT 4 bestimmt, wenn sich die Schalteinrichtung 6 im ersten Arbeitsmodus befindet, oder im DOC 5, wenn sich die Schalteinrichtung 6 im zweiten Arbeitsmodus befindet. Liegt die Raumgeschwindigkeit des Abgases unter oder gleich einem Schwellenwert, wird die Schalteinrichtung in einem fünften Schritt S5 in den ersten Arbeitsmodus geschaltet oder in diesem belassen, wenn sie sich bereits im ersten Arbeitsmodus befindet. Liegt die Raumgeschwindigkeit des Abgases über dem besagten Schwellenwert, wird die Schalteinrichtung 6 in den zweiten Arbeitsmodus geschaltet oder in diesem belassen, wenn sie sich bereits im zweiten Arbeitsmodus befindet.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden anhand des Zustandsdiagramms gemäß 8 erläutert. Im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs werden Abgas-bezogene funktionsrelevante Betriebsparameter erfasst, besonders die Abgastemperatur und die Raumgeschwindigkeit des Abgases. Die Parameter werden sensorenbasiert oder modellbasiert ermittelt. Liegt ein stromaufwärts der ersten Katalysatoreinrichtung 3 erfasster erster Temperaturwert T₁ der Abgastemperatur über einem ersten Schwellenwert der Temperatur T_S1, wird das Abgas durch den DOC 5 geleitet. Ist die Abgastemperatur T₁ unter oder gleich einem ersten Schwellenwert der Temperatur T_S1, wird der Abgasvolumenstrom v_A ermittelt. Liegt der Abgasvolumenstrom v_A über einem Schwellenwert des Abgasvolumenstroms v_AS, wird das Abgas durch den DOC 5 geleitet, auch wenn die Abgastemperatur T₁ unter dem ersten Schwellenwert der Temperatur T_S1 liegt. Ist der Abgasvolumenstrom v_A unter oder gleich dem Schwellenwert des Abgasvolumenstroms v_AS, wird das Abgas durch den LNT 4 geleitet, wenn auch die Abgastemperatur T₁ unter oder gleich dem ersten Schwellenwert der Temperatur T_S1 ist.
Das Abgas gelangt nach dem Durchströmen von LNT 4 und DOC 5 stromabwärts zum SCR 9 bzw. zur zweiten Katalysatoreinrichtung 8. In Abhängigkeit von der Abgastemperatur wird mittels der Zuführeinrichtung 11 Reduktionsmittel in den Abgastrakt 2 eingeleitet. Dazu wird im Bereich des SCR 9, z.B. unmittelbar stromaufwärts der zweiten Katalysatoreinrichtung 8, ein zweiter Temperaturwert T₂ ermittelt. Ist die Abgastemperatur größer oder gleich einem zweiten Schwellenwert der Temperatur T_S2, wird Reduktionsmittel eingeleitet. Liegt die Abgastemperatur T₂ unter dem zweiten Schwellenwert der Temperatur T_S2, wird kein Reduktionsmittel eingeleitet. Das Verfahren wird dann mit dem Erfassen der ersten Temperatur T_S1 und Vergleichen mit den Schwellenwerten fortgeführt.
Bezugszeichenliste

1: Anordnung
2: Abgastrakt
3: erste Katalysatoreinrichtung
31: erster Bereich der ersten Katalysatoreinrichtung
32: zweiter Bereich der ersten Katalysatoreinrichtung
4: Stickoxidspeicherkatalysator
5: Dieseloxidationskatalysator
6: Schalteinrichtung
61: erste Platte der Schalteinrichtung
611: innerer Bereich der ersten Platte
612: äußerer Bereich der ersten Platte
62: zweite Platte der Schalteinrichtung
621: innerer Bereich der zweiten Platte
622: äußerer Bereich der zweiten Platte
63: Öffnung der Platten
64: Aktuator
65: Adapter
7: Steuerungseinrichtung
8: zweite Katalysatoreinrichtung
9: Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion
10: Dieselpartikelfilter
11: Zuführeinrichtung für Reduktionsmittel
12: Mischeinrichtung
13: Temperatursensor
14: Durchflusssensor

Claims

Anordnung (1) einer Brennkraftmaschine mit einem Abgastrakt (2), in dem mindestens ein Oxidationskatalysator (5) und mindestens ein erster Stickoxidspeicherkatalysator (4) in einer gemeinsamen ersten Katalysatoreinrichtung (3), stromabwärts davon mindestens ein erster Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (9) und mindestens ein Partikelfilter (10) angeordnet sind sowie stromaufwärts des Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion mindestens eine Zuführeinrichtung für ein Reduktionsmittel (11) angeordnet ist, bei der die erste Katalysatoreinrichtung (3) einen ersten, innenliegenden Bereich (31) und einen zweiten, außenliegenden Bereich (32) aufweist, und bei der am stromaufwärtigen Ende eine Schalteinrichtung (6) zum Steuern des Abgasstroms angeordnet ist, die ausgebildet ist, in einem ersten Arbeitsmodus Abgas durch den innenliegenden Bereich (31) und in einem zweiten Arbeitsmodus Abgas durch den außenliegenden Bereich (32) zu leiten.
Anordnung (1) gemäß Anspruch 1, bei der der Oxidationskatalysator (5) im außenliegenden Bereich (32) der ersten Katalysatoreinrichtung (3) angeordnet ist.
Anordnung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der der Stickoxidspeicherkatalysator (4) im innenliegenden Bereich (31) der ersten Katalysatoreinrichtung (3) angeordnet ist.
Anordnung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion (9) und der Partikelfilter (10) in einer gemeinsamen zweiten Katalysatoreinrichtung (8) angeordnet sind.
Anordnung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der im Abgasstrakt (2) stromaufwärts des Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion (9) eine Mischeinrichtung für fluide Medien (12) angeordnet ist.
Anordnung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Oxidationskatalysator (5) auf eine hohe Konvertierungsleistung von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid optimiert ist.
Kraftfahrzeug mit einer Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1-6.
Verfahren zum Steuern einer Abgasnachbehandlung mit einer Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1-6, mit den Schritten: - Betreiben der Brennkraftmaschine, - Ermitteln einer ersten Abgastemperatur im Bereich stromaufwärts der ersten Katalysatoreinrichtung (3), - Schalten der Schalteinrichtung (6) in den ersten Arbeitsmodus, wenn die erste Abgastemperatur unter oder gleich einem ersten Schwellenwert der Temperatur ist und in den zweiten Arbeitsmodus, wenn die erste Abgastemperatur über dem ersten Schwellenwert liegt, - Ermitteln der Raumgeschwindigkeit des Abgases im Bereich der ersten Katalysatoreinrichtung (3), - Belassen der Schalteinrichtung (6) im ersten Arbeitsmodus, wenn die Raumgeschwindigkeit unter oder gleich einem Schwellenwert der Raumgeschwindigkeit ist und Schalten in den zweiten Arbeitsmodus, wenn die Raumgeschwindigkeit über dem besagten Schwellenwert liegt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei im Bereich des Katalysators zur selektiven katalytischen Reduktion (9) eine zweite Abgastemperatur ermittelt wird und mittels der Zuführeinrichtung (11) Reduktionsmittel in den Abgastrakt (2) eingeleitet wird, wenn die zweite Abgastemperatur größer oder gleich einem zweiten Schwellenwert der Temperatur ist und kein Reduktionsmittel in den Abgastrakt (2) eingeleitet wird, wenn die zweite Abgastemperatur unter einem zweiten Schwellenwert der Temperatur liegt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei ein Verhältnis von Stickstoffdioxid zu Stickstoffmonoxid von 50% angestrebt wird, wenn die Schalteinrichtung (6) in den zweiten Arbeitsmodus geschaltet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8-10, wobei die Schalteinrichtung (6) zusätzlich in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der Brennkraftmaschine in den ersten oder zweiten Arbeitsmodus geschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8-11, wobei die Schalteinrichtung (6) zusätzlich in Abhängigkeit von einer Kombination aus verschiedenen Parametern im Sinne eines 3D-Mappings in der Steuerung der Brennkraftmaschine in den ersten oder zweiten Arbeitsmodus geschaltet wird.