DE102018212956A1

DE102018212956A1 - Verfahren zur Abgasbehandlung, Steuerungseinrichtung, Abgassystem, Kraftfahrzeug sowie Computerprogrammprodukt

Info

Publication number: DE102018212956A1
Application number: DE102018212956.8A
Authority: DE
Inventors: Evgeny Smirnov; Robert Ukropec; Jan Harmsen; Mario Balenovic
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2018-08-02
Filing date: 2018-08-02
Publication date: 2020-02-06
Also published as: CN110792492A

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Behandlung eines Abgasstroms 1 in einem Abgassystem 2 eines Verbrennungsmotors 3 angegeben, das die folgenden Schritte aufweist: Ermitteln einer Temperatur T1 einer Stickoxidfalle 4, Leiten des Abgasstroms 1 durch die Stickoxidfalle 4, Ermitteln einer Temperatur T2 eines stromabwärts der Stickoxidfalle 4 angeordneten SCR-Katalysators 5, Leiten des Abgasstroms 1 durch den SCR-Katalysator 5, falls die Temperatur T1 eine Maximaltemperatur T1_max übersteigt und die Temperatur T2 eine Mindesttemperatur T2_min nicht erreicht, Aktivieren einer Luftzufuhr zum Abgasstrom 1 stromaufwärts der Stickoxidfalle 4 und falls die Temperatur T1 eine Mindesttemperatur T1_min nicht erreicht und/oder die Temperatur T2 die Mindesttemperatur T2_min erreicht oder übersteigt, Deaktivieren der Luftzufuhr zum Abgasstrom 1 stromaufwärts der Stickoxidfalle 4.
Des Weiteren werden eine Steuerungseinrichtung, ein Abgassystem, ein Kraftfahrzeug sowie ein Computerprogrammprodukt angegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung eines Abgasstroms in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors, eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung einer Behandlung eines Abgasstroms in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors, ein Abgassystem ein Kraftfahrzeug sowie ein Computerprogrammprodukt.
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.
Stickoxidfallen stellen eine der beiden Haupttechnologien zur Nachbehandlung von im Abgasstrom enthaltenen Stickoxiden dar. Neben der bloßen Speicherung von Stickoxiden können Stickoxidfallen auch katalytische Eigenschaften aufweisen. Sie werden in diesen Fällen auch als Stickoxidspeicherkatalysatoren (NSR-Katalysator, engl. NO_x storage and reduction catalyst) oder LNT-Katalysatoren (engl. lean NO_x trap) bezeichnet. 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.
Stickoxidfallen können Stickoxide bereits bei niedrigen Temperaturen speichern. Die Speichereffizienz nimmt zunächst mit steigender Temperatur zu. Wird jedoch ein Temperaturschwellwert überschritten, kommt es zur Desorption der zuvor gespeicherten Stickoxide und der Abgasstrom reichert sich wieder mit Stickoxiden an. Daher sollte die Temperatur der Stickoxidfalle zur Stickoxidspeicherung innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs liegen.
Um dies zu gewährleisten schlägt die DE 43 34 763 A1 vor, bei zu geringer Temperatur Kraftstoff einzuspritzen, dessen Verbrennung zu einer Erhöhung der Temperatur einer Stickoxidfalle führt. Ist die Temperatur der Stickoxidfalle hingegen zu hoch, so dass eine Desorption von Stickoxiden zu befürchten ist, wird dem Gehäuse der Stickoxidfalle oder dem Abgas Luft zur Kühlung zugeführt.
Die SCR-Technologie kann 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 jedoch ein Temperaturschwellwert von z. B. 200 °C erreicht oder überschritten wird, zeigen SCR-Katalysatoren hervorragende Leistungen in Hinblick auf die Stickoxidumwandlung.
Um strenger werdenden Emissionsrichtlinien zu begegnen ist eine Kopplung der beiden Haupttechnologien, insbesondere eine Reihenschaltung einer Stickoxidfalle mit einem stromabwärts angeordneten SCR-Katalysator, attraktiv geworden. Hierdurch können Stickoxide in einem viel größeren Temperaturbereich effektiv behandelt werden. Bei geringen Temperaturen erfolgt zunächst eine Speicherung in der Stickoxidfalle. Wird im weiteren Verlauf, z. B. durch Zunahme der Abgastemperatur, der Temperaturschwellwert des SCR-Katalysators erreicht oder überschritten, werden die Stickoxide katalytisch reduziert.
Problematisch gestalten sich jedoch Situationen, in denen der Temperaturschwellwert für die Desorption von Stickoxiden aus der Stickoxidfalle überschritten wird, der Temperaturschwellwert des SCR-Katalysators für eine effektive Reduzierung der freigesetzten Stickoxide jedoch noch nicht erreicht ist. Dies kann zu einer unerwünschten Abgabe von Stickoxiden in die Umgebung führen. Derartige Situationen können beispielsweise nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors oder beim Betreiben des Verbrennungsmotors mit geringer Last, z. B. beim Fahren im Stadtverkehr, auftreten. Zu berücksichtigen ist außerdem die üblicherweise geringere Temperatur des SCR-Katalysators im Vergleich zur Stickoxidfalle, da dieser weiter entfernt vom Verbrennungsmotor angeordnet ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die vorstehend genannten Nachteile zu verringern oder zu beseitigen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Grundgedanke der Erfindung ist es, die Temperatur der Stickoxidfalle so zu steuern, dass eine unerwünschte Desorption von Stickoxiden aus der Stickoxidfalle vermieden wird, sofern die Temperatur des SCR-Katalysators für eine nachfolgende katalytische Reduzierung noch nicht ausreichend hoch ist. Hierfür ist vorgesehen, dass bei Überschreiten eines Temperaturschwellwerts für die Stickoxidfalle (Maximaltemperatur T1_max ) dem Abgasstrom stromaufwärts der Stickoxidfalle Luft zur Kühlung des Abgases und damit auch zur Kühlung der Stickoxidfalle zugeführt wird.
Ein Temperaturschwellwert für den SCR-Katalysator, bei dessen Erreichen oder Überschreiten eine ausreichende Reduzierung von Stickoxiden erfolgen kann (Mindesttemperatur T2_min ), kann währenddessen z. B. durch elektrische Heizung des SCR-Katalysators erreicht werden. Hierdurch wird eine effektive Umwandlung von im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors enthaltenen Stickoxiden ermöglicht und die Emission von Luftschadstoffen in die Umgebung kann verringert werden. Gleichzeitig kann auch ein Schlupf von Kohlenstoffmonoxid und/oder Kohlenwasserstoffen kontrolliert werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Behandlung eines Abgasstroms in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors weist die folgenden Schritte auf: Ermitteln einer Temperatur T1 einer Stickoxidfalle, Leiten des Abgasstroms durch die Stickoxidfalle, Ermitteln einer Temperatur T2 eines stromabwärts der Stickoxidfalle angeordneten SCR -Katalysators und Leiten des Abgasstroms durch den SCR-Katalysator.
Unter einem Verbrennungsmotor, teilweise auch als Brennkraftmaschine bezeichnet, ist eine Verbrennungskraftmaschine zur Umwandlung von im Kraftstoff enthaltener chemischer Energie in mechanische Arbeit zu verstehen. Während des dafür nötigen Verbrennungsvorgangs wird Abgas gebildet. Der Verbrennungsmotor kann beispielsweise als selbstzündender oder fremdgezündeter Verbrennungsmotor ausgebildet sein. Als Kraftstoff kann beispielsweise Motorbenzin oder Diesel genutzt werden.
Das vom Verbrennungsmotor gebildete Abgas gelangt als Abgasstrom in das Abgassystem und wird nach einer Behandlung im Abgassystem an die Umgebung abgegeben. Zur Behandlung des Abgasstroms sind im Abgassystem die Stickoxidfalle und des SCR-Katalysator als Abgasnachbehandlungseinrichtungen angeordnet. Optional können weitere Abgasnachbehandlungseinrichtungen, z. B. Partikelfilter, Oxidationskatalysatoren etc., vorhanden sein.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Abgasstrom zunächst die Stickoxidfalle und danach den SCR-Katalysator durchströmt. Daher ist der SCR-Katalysator stromabwärts der Stickoxidfalle, bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgasstroms, angeordnet. Der SCR-Katalysator kann optional als SDPF-Katalysator, d. h. als ein mit einer SCR-Beschichtung versehener Partikelfilter, ausgebildet sein.
Die übrigen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können in der genannten Reihenfolge, je nach Bedarf jedoch auch gleichzeitig, zeitlich überlappend oder in einer abweichenden Reihenfolge durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Temperatur T1 der Stickoxidfalle während des Leitens des Abgasstroms durch die Stickoxidfalle ermittelt werden.
Das ermitteln der Temperaturen T1 und T2 kann entweder direkt erfolgen, indem die Temperatur der Stickoxidfalle bzw. des SCR-Katalysators direkt gemessen wird. Alternativ können die Temperaturen T1 und T2 indirekt ermittelt werden, indem die Temperatur des Abgasstroms unmittelbar stromaufwärts der Stickoxidfalle bzw. des SCR-Katalysators gemessen wird und anhand der Temperatur des Abgasstroms die Temperatur der Stickoxidfalle bzw. die Temperatur des SCR-Katalysators abgeschätzt wird. Unmittelbar bedeutet, dass zwischen der Temperaturmessstelle und der Stickoxidfalle bzw. dem SCR-Katalysator keine weiteren, die Temperatur beeinflussenden Abgasnachbehandlungseinrichtungen angeordnet sind.
In Abhängigkeit der Temperaturen T1 und T2 wird erfindungsgemäß eine Luftzufuhr zum Abgasstrom aktiviert oder deaktiviert, um den Abgasstrom und damit auch die Stickoxidfalle zu kühlen oder nicht zu kühlen. Die Luftzufuhr wird aktiviert, falls die Temperatur T1 eine Maximaltemperatur T1_max übersteigt und die Temperatur T2 eine Mindesttemperatur T2_min nicht erreicht. Die Luftzufuhr wird hingegen deaktiviert, falls die Temperatur T1 eine Mindesttemperatur T1_min nicht erreicht und/oder die Temperatur T2 die Mindesttemperatur T2_min erreicht oder übersteigt. Mit anderen Worten wird die Luftzufuhr in Abhängigkeit der Temperaturen T1 und T2 gesteuert oder geregelt.
Die Mindesttemperatur T1_min liegt unter der Maximaltemperatur T1_max oder entspricht der Maximaltemperatur T1_max , d. h. es gilt T1_min ≤ T1_max.
Das Aktivieren bzw. Deaktivieren wird ausgeführt, sobald die dafür jeweils notwendigen Temperaturbedingungen erfüllt werden. Anschließend verbleibt die Luftzufuhr im aktivierten bzw. deaktivierten Zustand, bis die Temperaturbedingungen für das Aktivieren (bei vorherigem deaktivierten Zustand) bzw. Deaktivieren (bei vorherigem aktivierten Zustand) erfüllt werden. Mit anderen Worten bedeutet ein Aktivieren auch ein Belassen im aktivierten Zustand und ein Deaktivieren bedeutet auch ein Belassen im deaktivierten Zustand.
Die Maximaltemperatur T1_max der Stickoxidfalle kann beispielsweise einer Temperatur entsprechen, ab deren Übersteigen das Adsorptions-Desorptions-Gleichgewicht der Stickoxidfalle in Richtung Desorption verschoben ist, d. h. mehr Stickoxide desorbiert als adsorbiert werden.
Die Mindesttemperatur T2_min des SCR-Katalysators kann beispielweise der Light-Off-Temperatur des SCR-Katalysators entsprechen, ab deren erreichen eine ausreichende katalytische Umwandlung von Stickoxiden gewährleistet ist. Die Mindesttemperatur T1_min der Stickoxidfalle kann beispielweise der Light-Off-Temperatur der Stickoxidfalle entsprechen, ab deren erreichen eine ausreichende Adsorption und Speicherung von Stickoxiden gewährleistet ist.
Bevorzugt kann die Mindesttemperatur T1_min der Stickoxidfalle größer als die Light-Off-Temperatur für Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffe sein, so dass die Temperatur T1 der Stickoxidfalle auch bei Luftzufuhr der Light-Off-Temperatur für Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffe entspricht oder diese übersteigt. Entsprechend kann auch die Maximaltemperatur T1_max größer als die Light-Off-Temperatur für Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffe sein.
Beispielsweise kann die Mindesttemperatur T1_min im Bereich zwischen 150 und 250 °C, bevorzugt im Bereich zwischen 200 und 230 °C, und/oder die Maximaltemperatur T1_max im Bereich zwischen 150 und 300 °C, bevorzugt im Bereich zwischen 200 und 250 °C, und/oder die Mindesttemperatur T2_min im Bereich zwischen 150 und 200 °C, bevorzugt im Bereich zwischen 170 und 190 °C, liegen.
Beispielsweise kann die Luftzufuhr aktiviert werden, falls die Temperatur T1 der Stickoxidfalle so hoch ist, dass mehr Stickoxide desorbiert als adsorbiert werden oder dies zu erwarten ist und folglich Stickoxide in den SCR-Katalysator gelangen. Wird nun die Mindesttemperatur T2_min des SCR-Katalysators nicht erreicht, können diese Stickoxide nicht ausreichend katalytisch umgesetzt werden und es besteht die Gefahr einer unerwünschten Freisetzung von Stickoxiden in die Umgebung. Um dies zu verhindern, wird die Temperatur der Stickoxidfalle mittels der Luftzufuhr gesenkt, so dass keine oder allenfalls eine sehr geringe Menge an Stickoxiden in den SCR-Katalysator gelangt. Ein solches Vorgehen kann beispielsweise nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors erforderlich sein.
Die Luftzufuhr kann deaktiviert werden - die Kühlung der Stickoxidfalle wird also unterbrochen - wenn die Mindesttemperatur T1_min nicht (mehr) erreicht wird und beispielsweise eine ausreichende Speicherung von Stickoxiden in der Stickoxidfalle nicht mehr gewährleistet ist. Außerdem kann die Luftzufuhr deaktiviert werden, wenn die Temperatur T2 die Mindesttemperatur T2_min erreicht oder übersteigt und folglich eine ausreichende katalytische Umsetzung von Stickoxiden im SCR-Katalysator gewährleistet ist.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Behandlung des Abgasstroms, insbesondere in Hinblick auf Stickoxide, optimiert werden, so dass weniger Stickoxide in die Umgebung gelangen und Emissionsrichtlinien eingehalten werden können. Dies betrifft insbesondere Situation nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors, in denen die Light-Off-Temperatur des SCR-Katalysators noch nicht erreicht wird. Indem eine Kühlung der Stickoxidfalle auf eine Temperatur unterhalb der Mindesttemperatur T1_min vermieden wird, kann ein unerwünschter Schlupf von Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffen aus der Stickoxidfalle minimiert werden, so dass einerseits deren Freisetzung in die Umgebung und andererseits eine Schädigung des SCR-Katalysators aufgrund von Kohlenstoffmonoxid und Kohlenwasserstoffen weitgehend vermieden werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das Verfahren ein Aktivieren einer Heizeinrichtung zur Beheizung des SCR-Katalysators aufweisen, falls die Temperatur T1 die Maximaltemperatur T1_max übersteigt und die Temperatur T2 die Mindesttemperatur T2_min nicht erreicht. Die Heizeinrichtung kann beispielsweise als elektrische Heizeinrichtung ausgebildet sein. Eine elektrische Heizung zeichnet sich durch eine schnelle Reaktionszeit und geringen Bauraum aus. Zudem wird kein Kraftstoff benötigt.
Die Heizeinrichtung kann des Weiteren zur direkten oder indirekten Beheizung des SCR-Katalysators, wobei eine indirekte Beheizung erfolgen kann, indem der Abgasstrom stromaufwärts des SCR-Katalysators beheizt wird. Folglich kann die Heizeinrichtung stromaufwärts des SCR-Katalysators und stromabwärts der Stickoxidfalle angeordnet sein. In diesem Fall sollte bei einer indirekten Temperaturermittlung des SCR-Katalysators die Temperaturmessstelle stromabwärts der Heizeinrichtung und stromaufwärts des SCR-Katalysators angeordnet sein.
Durch das Beheizen des SCR-Katalysators kann dessen Mindesttemperatur T2_min vorteilhaft schneller erreicht werden und eine effektive Behandlung von Stickoxiden im SCR-Katalysator kann bereits zu einem früheren Zeitpunkt erfolgen, so dass die Emission von Stickoxiden in die Umgebung verringert werden kann. Eine Beheizung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Temperatur T1 die Maximaltemperatur T1_max übersteigt und folglich Stickoxide von der Stickoxidfalle desorbiert werden und in den SCR-Katalysator gelangen.
Erreicht oder übersteigt die Temperatur T2 die Mindesttemperatur T2_min , kann die Heizeinrichtung wieder deaktiviert werden, da ab diesem Zeitpunkt eine ausreichende katalytische Aktivität des SCR-Katalysators vorhanden ist. Die Deaktivierung der Heizeinrichtung verhindert eine Schädigung des SCR-Katalysators aufgrund Überhitzung. Zudem kann die Beheizung bedarfsgerecht erfolgen, so dass der mit der Beheizung verbundene zusätzliche Energiebedarf möglichst gering ist.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Verfahren ein Aktivieren einer Zuführeinrichtung zur Zufuhr einer Ammoniak bildenden Zusammensetzung zum SCR-Katalysator aufweisen, falls die Temperatur T2 die Mindesttemperatur T2_min erreicht oder übersteigt, d. h. beispielsweise ab Erreichen einer ausreichenden Temperatur für eine effektive katalytische Reduktion von Stickoxiden im SCR-Katalysator, für welche Ammoniak benötigt wird.
Erreicht die Temperatur T2 die Mindesttemperatur T2_min hingegen nicht, so kann die Zuführeinrichtung deaktiviert werden. In diesem Fall wird kein Ammoniak benötigt und anderenfalls besteht die Gefahr einer unerwünschten Freisetzung von Ammoniak in die Umgebung. Mit anderen Worten kann die Zufuhr der Ammoniak bildenden Zusammensetzung ebenfalls in Abhängigkeit der Temperaturen T1 und T2 gesteuert oder geregelt werden.
Bei der Ammoniak bildenden Zusammensetzung kann es sich beispielsweise um eine wässrige Harnstofflösung handeln. Die Zufuhr der Ammoniak bildenden Zusammensetzung kann direkt zum SCR-Katalysator oder stromaufwärts des SCR-Katalysators zum Abgasstrom erfolgen.
Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Verfahren ein Aktivieren der Luftzufuhr zum Abgasstrom stromaufwärts der Stickoxidfalle aufweisen, falls die Temperatur T2 eine Maximaltemperatur T2_max übersteigt. Entsprechend kann die Luftzufuhr deaktiviert werden, falls die Temperatur T2 die Maximaltemperatur T2_max nicht (mehr) übersteigt. Die Maximaltemperatur T2_max liegt über der Minimaltemperatur T2_min .
Bei der Maximaltemperatur T2_max kann es sich beispielsweise um eine Temperatur des SCR-Katalysators handeln, ab der eine erhöhte Oxidation von Ammoniak zu erwarten ist. Dies kann dazu führen, dass nur unzureichend Ammoniak zur Reduktion der Stickoxide zur Verfügung steht. Zudem kann aufgrund der Oxidation Ammoniak zu weiteren unerwünschten Stickoxiden umgewandelt werden, so dass sich die Stickoxidemission erhöhen kann.
Durch die Luftzufuhr kann vorteilhaft eine Kühlung des Abgasstroms erreicht werden, so dass die Maximaltemperatur T2_max nicht überschritten wird und folglich eine erhöhte Ammoniakoxidation vermieden werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann die die Stickoxidfalle als passiver Stickoxidadsorber, LNT-Katalysator oder LNT-lite-Katalysator ausgebildet sein.
Passive Stickoxidadsorber adsorbieren Stickoxide insbesondere nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors und geben diese bei erhöhten Abgastemperaturen wieder ab, ohne dass eine aktive Regeneration z. B. mittels unverbranntem Kraftstoff vorgenommen wird. Passive Stickoxidadsorber bieten den Vorteil einer zügigen Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgasstrom nach einem Kaltstart. Zudem sind keine technischen Einrichtungen und keine Steuerung zur aktiven Regeneration erforderlich, so dass diese passiven Stickoxidadsorber kostengünstig sind und zudem nur eines geringen Bauraums bedürfen.
Bei einem LNT-lite-Katalysator handelt es sich um einen LNT-Katalysator mit geringer Speicherkapazität für Stickoxide, der ebenfalls für Kaltstartbedingungen optimiert ist und sich durch einen geringen Bauraumbedarf auszeichnet.
Die Verwendung der genannten speziellen Stickoxidfallen, die für Kaltstartbedingungen optimiert sind, bietet im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren den Vorteil einer optimierten Stickoxidbehandlung auch nach einem Kaltstart, ohne dass eine aufwendige Steuerung oder Regelung und/oder ein hoher Platzbedarf für die Anordnung der benötigten Bauteile notwendig ist. Zudem wirkt sich die Luftzufuhr zum Abgasstrom, die eine Änderung der Verbrennungsluftverhältnisses λ mit sich bringt, nicht oder nur geringfügig aus, da keine aktive Regeneration durchgeführt wird.
Eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung zur Steuerung einer Behandlung eines Abgasstroms in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors, ist dazu ausgebildet und eingerichtet, Sensorsignale eines Temperatursensors TS1 zur Ermittlung der Temperatur T1 einer im Abgassystem angeordneten Stickoxidfalle und Sensorsignale eines Temperatursensors TS2 zur Ermittlung der Temperatur T2 eines im Abgassystem angeordneten SCR-Katalysators zu empfangen und in Abhängigkeit der empfangenen Sensorsignale ein Steuersignal an eine Luftzuführeinrichtung zur Luftzufuhr zum Abgasstrom stromaufwärts der Stickoxidfalle auszugeben.
Mit anderen Worten kann die Steuerungseinrichtung Eingangsdaten der Temperatursensoren TS1 und TS2 empfangen, diese Eingangsdaten verarbeiten und die Luftzuführeinrichtung als Aktuator in Reaktion auf die verarbeiteten Eingangsdaten basierend auf Anweisungen oder einem in der Steuereinrichtung programmiertem Code entsprechend einer oder mehrerer Routinen auslösen.
Die Steuereinrichtung kann hardware- und/oder softwaremäßig realisiert sein und physisch ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Insbesondere kann die Steuereinrichtung Teil einer Motorsteuerung sein oder in diese integriert sein. Beispielsweise kann die Motorsteuerung eines Kraftfahrzeugs als Steuereinrichtung fungieren.
In verschiedenen Ausgestaltungen kann die Steuereinrichtung außerdem dazu ausgebildet und eingerichtet sein, in Abhängigkeit der empfangenen Sensorsignale ein Steuersignal an eine Heizeinrichtung zur Beheizung des SCR-Katalysators und/oder ein Steuersignal an eine Zuführeinrichtung zur Zufuhr einer Ammoniak bildenden Zusammensetzung zum SCR-Katalysator auszugeben. Mit anderen Worten können die Heizeinrichtung und die Zuführeinrichtung ebenfalls als Aktuatoren in Reaktion auf die verarbeiteten Eingangsdaten basierend auf Anweisungen oder einem in der Steuereinrichtung programmiertem Code entsprechend einer oder mehrerer Routinen ausgelöst werden.
Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung kann beispielsweise zur Ausführung des obenstehend erläuterten erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt werden. Daher dienen die obigen Ausführungen zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch zur Beschreibung der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung entsprechen denen des erfindungsgemäßen Verfahrens und dessen entsprechender Ausführungsvarianten.
Ein erfindungsgemäßes Abgassystem weist eine Stickoxidfalle, einen stromabwärts der Stickoxidfalle angeordneten SCR-Katalysator, einen Temperatursensor TS1 zur Ermittlung der Temperatur T1 der Stickoxidfalle, einen Temperatursensor TS2 zur Ermittlung der Temperatur T2 des SCR-Katalysators, eine Luftzuführeinrichtung zur Luftzufuhr zum Abgasstrom stromaufwärts der Stickoxidfalle und eine Steuerungseinrichtung gemäß vorstehender Beschreibung auf. Optional kann das Abgassystem über eine Heizeinrichtung zur Beheizung des SCR-Katalysators und/oder eine Zuführeinrichtung zur Zufuhr einer Ammoniak bildenden Zusammensetzung zum SCR-Katalysator verfügen.
Die Stickoxidfalle kann insbesondere als passiver Stickoxidadsorber, LNT-Katalysator oder LNT-lite-Katalysator ausgebildet sein.
Das erfindungsgemäße Abgassystem kann beispielsweise zur Ausführung des oben stehend erläuterten erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sein. Daher dienen die obigen Ausführungen zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Abgassystems. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Abgassystems entsprechen denen des erfindungsgemäßen Verfahrens und dessen entsprechender Ausführungsvarianten.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug weist einen Verbrennungsmotor sowie ein Abgassystem gemäß vorstehender Beschreibung auf. Unter einem Kraftfahrzeug ist ein durch einen Motor angetriebenes Fahrzeug, z. B. ein Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug zu verstehen. Optional kann das Kraftfahrzeug als Hybridelektrokraftfahrzeug ausgebildet sein.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs entsprechen daher denen des erfindungsgemäßen Abgassystems und dessen entsprechender Ausführungsvarianten. Darüber hinaus wirkt sich die Erfindung bei einem Kraftfahrzeug besonders vorteilhaft aus, da sie die Einhaltung strenger gesetzlicher Vorgaben hinsichtlich der zulässigen Emission von Luftschadstoffen ermöglicht.
Ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt umfasst Befehle, die bewirken, dass ein Abgassystem gemäß vorstehender Beschreibung ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführt.
Unter einem Computerprogrammprodukt ist dabei ein auf einem geeigneten Medium gespeicherter und/oder über ein geeignetes Medium abrufbarer Programmcode zu verstehen. Zum Speichern des Programmcodes kann jedes zum Speichern von Software geeignete Medium, beispielsweise eine DVD, ein USB-Stick, eine Flashcard oder dergleichen, Verwendung finden. Das Abrufen des Programmcodes kann beispielsweise über das Internet oder ein Intranet erfolgen oder über ein anderes geeignetes drahtloses oder kabelgebundenes Netzwerk.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Abbildungen und der zugehörigen Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Abgassystem in einer beispielhaften Ausgestaltung; und
2 ein Ablaufschema eines beispielhaften Verfahrens.

1 zeigt ein sich an einen Verbrennungsmotor 3 anschließendes Abgassystem 2 schematisch. Der Verbrennungsmotor 3 kann als selbstzündender Motor ausgebildet sein und beispielsweise mit Dieselkraftstoff betrieben werden. Der Verbrennungsmotor 3 erzeugt einen Abgasstrom 1, der vom Abgassystem 2 aufgenommen wird. In Strömungsrichtung des Abgasstroms 1 beschrieben, weist das Abgassystem 2 des Ausführungsbeispiels eine Stickoxidfalle 4, eine Heizeinrichtung 6, einen SCR-Katalysator 5 und weitere Abgasnachbehandlungseinrichtungen 12, z. B. Partikelfilter, auf. Ein Partikelfilter kann beispielsweise auch stromabwärts der Stickoxidfalle 4 und stromaufwärts der Heizeinrichtung 6 angeordnet sein.
Die Stickoxidfalle 4 kann als passiver Stickoxidadsorber, LNT-Katalysator oder LNT-lite-Katalysator ausgebildet, der SCR-Katalysator 5 optional als SDPF-Katalysator ausgebildet sein. Die Heizeinrichtung 6 ist als elektrische Heizeinrichtung ausgebildet.
Unmittelbar stromaufwärts der Stickoxidfalle 4 sowie des SCR-Katalysators 5 sind zwei Temperatursensoren TS1, TS2 angeordnet, die zur Bestimmung der Temperatur des Abgasstroms 1 ausgebildet sind, so dass anhand der Temperaturen des Abgasstroms 1 die Temperatur T1 der Stickoxidfalle sowie die Temperatur T2 des SCR-Katalysators 5 indirekt ermittelt werden können.
Das Abgassystem 2 weist des Weiteren eine Luftzuführeinrichtung 11 zur Luftzufuhr zum Abgasstrom 1 stromaufwärts der Stickoxidfalle 4, die stromaufwärts des Temperatursensors TS1 angeordnet ist. Außerdem ist eine Zuführeinrichtung 7 zur Zufuhr einer Ammoniak bildenden Zusammensetzung, im Ausführungsbeispiel einer wässrigen Harnstofflösung, zum SCR-Katalysator 5 vorhanden. Die Zufuhr der Ammoniak bildenden Zusammensetzung erfolgt zum Abgasstrom 1 stromaufwärts des SCR-Katalysators 5 und stromabwärts des Temperatursensors TS2.
Die Temperatursensoren TS1, TS2 stehen in einer signaltechnischen Wirkverbindung mit der Steuerungseinrichtung 8. Die Steuerungseinrichtung 8 ist dazu ausgebildet und eingerichtet, Sensorsignale 9a, 9b der Temperatursensoren TS1, TS2 zu empfangen und diese zu verarbeiten, um Steuersignale 10a, 10b, 10c zu generieren. Die Steuersignal 10a, 10b, 10c werden an die Luftzuführeinrichtung 11, die Heizeinrichtung 6 sowie die Zuführeinrichtung 7 zur Zufuhr der Ammoniak bildenden Zusammensetzung ausgegeben, die folglich ebenfalls in einer signaltechnischen Wirkverbindung mit der Steuerungseinrichtung 8 stehen. Optional kann die Steuerungseinrichtung 8 als Steuerung des Verbrennungsmotors 3 ausgebildet sein, so dass zusätzlich Steuerungsvorgänge mittels der Steuerungseinrichtung 8 realisiert werden können.
Die Behandlung des Abgasstroms 1 des Abgassystems 2 gemäß 1 kann beispielsweise mittels des nachfolgend mit Bezug auf 2 beschriebenen Verfahrens erfolgen, wobei das Verfahren selbst jedoch auch mit anderen Abgassystemen 2 durchgeführt werden kann.
In einem ersten Verfahrensschritt S1 werden die Temperaturen T1 und T2 ermittelt, wofür die Temperatursensoren TS1, TS2 genutzt werden können.
Im Schritt S2 wird geprüft, ob die Temperatur T1 eine Maximaltemperatur T1_max übersteigt und ob die Temperatur T2 eine Mindesttemperatur T2_min nicht erreicht, d. h. ob die Bedingungen T1 > T1_max und T2 < T2_min erfüllt sind oder nicht. Wird eine oder werden beide Bedingungen nicht erfüllt, geht das Verfahren zurück zu Schritt S1 und die Temperaturen T1 und T2 werden erneut ermittelt.
Sind hingegen beide Bedingungen erfüllt, geht das Verfahren weiter zu Schritt S3. In diesem Fall ist zu befürchten, dass Stickoxide aus der Stickoxidfalle 4 desorbiert und in den Abgasstrom 1 abgegeben werden, obwohl eine effektive katalytische Umsetzung mittels des SCR-Katalysators 5 nicht möglich ist.
Im Schritt S3 wird daher die Luftzufuhr zum Abgasstrom 1 stromaufwärts der Stickoxidfalle 4 aktiviert, um den Abgasstrom 1 und damit auch die Stickoxidfalle 4 zu kühlen. Die Kühlung kann beispielswiese so erfolgen, dass die Temperatur T1 nur geringfügig niedriger als die Maximaltemperatur T1_max ist oder die Maximaltemperatur T1_max erreicht wird, um eine zu starke Abkühlung der Stickoxidfalle 4 und eine etwaige unerwünschte Abkühlung des stromabwärts angeordneten SCR-Katalysators 5 zu vermeiden. Außerdem wird die Heizeinrichtung 6 aktiviert, so dass der SCR-Katalysator 5 beheizt wird.
Im Schritt S4 wird geprüft, ob die Temperatur T2 die Mindesttemperatur T2_min erreicht oder übersteigt, d. h. ob die Bedingung T2 ≥ T2_min erfüllt ist. Ist dies nicht der Fall, wird die Zuführeinrichtung 7 zur Zufuhr der Ammoniak bildenden Zusammensetzung deaktiviert bzw. bleibt deaktiviert (Schritt S6).
Erreicht oder übersteigt die Temperatur T2 die Mindesttemperatur T2_min , wird im Schritt S5 die Zuführeinrichtung 7 zur Zufuhr einer Ammoniak bildenden Zusammensetzung zum SCR-Katalysator 5 aktiviert, so dass eine katalytische Reduktion der Stickoxide im SCR-Katalysator 5 erfolgen kann. Gleichzeitig werden die Heizeinrichtung 6, da keine weitere Erwärmung des SCR-Katalysators 5 notwendig ist, sowie die Luftzufuhr, da keine weitere Kühlung der Stickoxidfalle 4 notwendig ist, wieder deaktiviert.
Von Schritt S5 geht das Verfahren wieder zurück zu Schritt S1 und die Temperaturen T1 und T2 werden erneut ermittelt. Optional kann auch lediglich die Temperatur T2 erneut oder fortlaufend ermittelt werden, da keine Änderung hinsichtlich des Aktivierens und Deaktivierens der Heizeinrichtung 6, der Luftzufuhr sowie der Zuführeinrichtung 7 erfolgt, solange die Temperatur T2 die Mindesttemperatur T2_min erreicht oder übersteigt.
Zur Verbesserung der Übersichtlichkeit ist im Ablaufschema der 2 die Überwachung der Einhaltung der Mindesttemperatur T1_min nicht dargestellt. Sollte die Temperatur T1 die Mindesttemperatur T1_min nicht (mehr) erreichen, z. B. aufgrund einer zu starken Kühlung der Stickoxidfalle 4 mittels der Luftzufuhr, so wird die Luftzufuhr deaktiviert, um eine Speicherung von Stickoxiden in der Stickoxidfalle 4 zu ermöglichen.
Bezugszeichenliste

1: Abgasstrom
2: Abgassystem
3: Verbrennungsmotor
4: Stickoxidfalle
5: SCR-Katalysator
6: Heizeinrichtung
7: Zuführeinrichtung
8: Steuerungseinrichtung
9a, 9b: Sensorsignale
10a, 10b, 10c: Steuersignale
11: Luftzuführeinrichtung
12: weitere Abgasnachbehandlungseinrichtungen
TS1: Temperatursensor zur Ermittlung der Temperatur T1
TS2: Temperatursensor zur Ermittlung der Temperatur T2
T1: Temperatur der Stickoxidfalle
T2: Temperatur des SCR-Katalysators
T1_max: Maximaltemperatur der Stickoxidfalle
T1_min: Minimaltemperatur der Stickoxidfalle
T2_max: Maximaltemperatur des SCR-Katalysators
T2_min: Minimaltemperatur des SCR-Katalysators
S1 bis S6: Verfahrensschritte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4334763 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Behandlung eines Abgasstroms (1) in einem Abgassystem (2) eines Verbrennungsmotors (3), aufweisend die folgenden Schritte: - Ermitteln einer Temperatur T1 einer Stickoxidfalle (4), - Leiten des Abgasstroms (1) durch die Stickoxidfalle (4), - Ermitteln einer Temperatur T2 eines stromabwärts der Stickoxidfalle (4) angeordneten SCR-Katalysators (5), - Leiten des Abgasstroms (1) durch den SCR-Katalysator (5), - falls die Temperatur T1 eine Maximaltemperatur T1_max übersteigt und die Temperatur T2 eine Mindesttemperatur T2_min nicht erreicht, Aktivieren einer Luftzufuhr zum Abgasstrom (1) stromaufwärts der Stickoxidfalle (4) und - falls die Temperatur T1 eine Mindesttemperatur T1_min nicht erreicht und/oder die Temperatur T2 die Mindesttemperatur T2_min erreicht oder übersteigt, Deaktivieren der Luftzufuhr zum Abgasstrom (1) stromaufwärts der Stickoxidfalle (4).
Verfahren nach Anspruch 1, aufweisend: - falls die Temperatur T1 die Maximaltemperatur T1_max übersteigt und die Temperatur T2 die Mindesttemperatur T2_min nicht erreicht, Aktivieren einer Heizeinrichtung (6) zur Beheizung des SCR-Katalysators (5).
Verfahren nach Anspruch 2, aufweisend: - falls die Temperatur T2 die Mindesttemperatur T2_min erreicht oder übersteigt, Deaktivieren der Heizeinrichtung (6).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend: - falls die Temperatur T2 die Mindesttemperatur T2_min erreicht oder übersteigt, Aktivieren einer Zuführeinrichtung (7) zur Zufuhr einer Ammoniak bildenden Zusammensetzung zum SCR-Katalysator (5) und - falls die Temperatur T2 die Mindesttemperatur T2_min nicht erreicht, Deaktivieren der Zuführeinrichtung (7).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mindesttemperatur T1_min im Bereich zwischen 150 und 250 °C, bevorzugt im Bereich zwischen 200 und 230 °C, und/oder die Maximaltemperatur T1_max im Bereich zwischen 150 und 300 °C, bevorzugt im Bereich zwischen 200 und 250 °C, und/oder die Mindesttemperatur T2_min im Bereich zwischen 150 und 200 °C, bevorzugt im Bereich zwischen 170 und 190 °C, liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend: - falls die Temperatur T2 eine Maximaltemperatur T2_max übersteigt, Aktivieren der Luftzufuhr zum Abgasstrom (1) stromaufwärts der Stickoxidfalle (4) und - falls die Temperatur T2 die Maximaltemperatur T2_max nicht übersteigt, Deaktivieren der Luftzufuhr zum Abgasstrom (1) stromaufwärts der Stickoxidfalle (4).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Stickoxidfalle (4) als passiver Stickoxidadsorber, LNT-Katalysator oder LNT-lite-Katalysator ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Temperatur T1 der Stickoxidfalle (4) anhand einer Temperatur des Abgasstroms (1) unmittelbar stromaufwärts der Stickoxidfalle (4) ermittelt wird und/oder wobei die Temperatur T2 des SCR-Katalysators (5) anhand einer Temperatur des Abgasstroms (1) unmittelbar stromaufwärts des SCR-Katalysators (5) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei die Heizeinrichtung (6) zur indirekten Beheizung des SCR-Katalysators (5) mittels Beheizung des Abgasstroms (1) stromaufwärts des SCR-Katalysators (5) ausgebildet ist.
Steuerungseinrichtung (8) zur Steuerung einer Behandlung eines Abgasstroms (1) in einem Abgassystem (2) eines Verbrennungsmotors (3), die dazu ausgebildet und eingerichtet ist, Sensorsignale (9a) eines Temperatursensors TS1 zur Ermittlung der Temperatur T1 einer im Abgassystem (2) angeordneten Stickoxidfalle (4) und Sensorsignale (9b) eines Temperatursensors TS2 zur Ermittlung der Temperatur T2 eines im Abgassystem (2) angeordneten SCR-Katalysators (5) zu empfangen und in Abhängigkeit der empfangenen Sensorsignale (9a, 9b) ein Steuersignal (10a) an eine Luftzuführeinrichtung (11) zur Luftzufuhr zum Abgasstrom (1) stromaufwärts der Stickoxidfalle (4) auszugeben.
Steuerungseinrichtung (8) nach Anspruch 10, die dazu ausgebildet und eingerichtet ist, in Abhängigkeit der empfangenen Sensorsignale (9a, 9b) ein Steuersignal (10b) an eine Heizeinrichtung (6) zur Beheizung des SCR-Katalysators (5) auszugeben.
Steuerungseinrichtung (8) nach Anspruch 10 oder 11, die dazu ausgebildet und eingerichtet ist, in Abhängigkeit der empfangenen Sensorsignale (9a, 9b) ein Steuersignal (10c) an eine Zuführeinrichtung (7) zur Zufuhr einer Ammoniak bildenden Zusammensetzung zum SCR-Katalysator (5) auszugeben.
Abgassystem (2) zur Behandlung eines von einem Verbrennungsmotor (3) erzeugten Abgasstroms (1), aufweisend: - eine Stickoxidfalle (4), - einen stromabwärts der Stickoxidfalle (4) angeordneten SCR-Katalysator (5), - einen Temperatursensor TS1 zur Ermittlung der Temperatur T1 der Stickoxidfalle (4), - einen Temperatursensor TS2 zur Ermittlung der Temperatur T2 des SCR-Katalysators (5), - eine Luftzuführeinrichtung (11) zur Luftzufuhr zum Abgasstrom (1) stromaufwärts der Stickoxidfalle (4) und - eine Steuerungseinrichtung (8) nach einem der Ansprüche 9 bis 11.
Abgassystem (2) nach Anspruch 13, aufweisend: - eine Heizeinrichtung (6) zur Beheizung des SCR-Katalysators (5).
Abgassystem (2) nach Anspruch 13 oder 14, aufweisend: - eine Zuführeinrichtung (7) zur Zufuhr einer Ammoniak bildenden Zusammensetzung zum SCR-Katalysator (5).
Abgassystem (2) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Stickoxidfalle (4) als passiver Stickoxidadsorber, LNT-Katalysator oder LNT-lite-Katalysator ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (3) und einem Abgassystem (2) nach einem der Ansprüche 13 bis 16.
Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bewirken, dass ein Abgassystem (2) nach einem der Ansprüche 13 bis 16 oder ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 17 ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausführt.