DE102018222324A1 - Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit Mager-NOx-Fallen stromaufwärts und stromabwärts eines Turboladers - Google Patents

Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit Mager-NOx-Fallen stromaufwärts und stromabwärts eines Turboladers Download PDF

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Abstract

Es wird eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung (2) für einen Verbrennungsmotor (1) beschrieben, welche einen Einlass umfasst, wobei stromabwärts des Einlasses eine erste Mager-NOx-Falle (4) angeordnet ist, stromabwärts der ersten Mager-NOx-Falle (4) ein Turbolader (3) angeordnet ist und stromabwärts des Turboladers (3) eine zweite Mager-NOx-Falle (5) angeordnet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung, eine Verbrennungsmotoranordnung und ein Kraftfahrzeug.
  • Im Zusammenhang mit Kraftfahrzeugen, welche durch Verbrennungsmotoren angetrieben werden, ist die Abgasnachbehandlung von wesentlicher Bedeutung. Insbesondere die steigenden Emissionsanforderungen erfordern eine ständige Verbesserung der Qualität der Abgasnachbehandlung. Dabei stellt insbesondere die Abgasnachbehandlung während der Kaltstartphasen eine Herausforderung dar, da bei einem Kaltstart zahlreiche Katalysatoren üblicherweise noch nicht ihre Anspringtemperatur bzw. ihre Betriebstemperatur erreicht haben. Dies betrifft insbesondere die typischerweise verwendeten Dieseloxidationskatalysatoren (DOC) und Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Katalysatoren).
  • Weiterhin ist es üblich Abgas zurückzuführen, beispielsweise im Rahmen einer Hochdruckabgasrückführung oder einer Niederdruckabgasrückführung. Auch in diesem Zusammenhang ist es erforderlich, eine entsprechende Abgasnachbehandlung zu gewährleisten. Dazu werden in den Dokumenten US 6,938,412 B2 und US 10,036,293 B2 Abgasnachbehandlungssysteme offenbart, in welchen zwei Mager-NOx-Fallen hintereinander angeordnet sind. Beispiele, in welchen stromaufwärts eines Turboladers Katalysatoren angeordnet sind, sind in den Dokumenten US 2014/0202140 A1 und US 2011/0023482 A1 offenbart.
  • Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine weiter verbesserte Abgasnachbehandlungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche insbesondere eine verbesserte Abgasnachbehandlung unter Kaltstartbedingungen ermöglicht. Weitere Aufgaben bestehen darin, eine vorteilhafte Verbrennungsmotoranordnung und ein Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgaben werden durch eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß Patentanspruch 1, eine Verbrennungsmotoranordnung gemäß Patentanspruch 7 und ein Kraftfahrzeug gemäß Patentanspruch 9 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung.
  • Die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung ist für einen Verbrennungsmotor ausgelegt und umfasst einen Einlass. Stromabwärts des Einlasses ist eine erste Mager-NOx-Falle (NOx - Stickoxid) angeordnet. Stromabwärts der Mager-NOx-Falle ist ein Turbolader angeordnet und stromabwärts des Turboladers ist eine zweite Mager-NOx-Falle angeordnet. Vorzugsweise ist der Einlass zum strömungstechnischen Verbinden mit einem Abgaskrümmer eines Verbrennungsmotors ausgelegt. Durch die Anordnung einer Mager-NOx-Falle stromaufwärts des Turboladers wird die Entfernung von gesundheits- und umweltschädlichen Emissionen aus dem Abgas insgesamt und insbesondere unter Kaltstartbedingungen verbessert. Zudem wird durch die hohen Temperaturen des Abgases stromaufwärts des Turboladers und den hohen Druck die Menge an Stickoxid, welches in dem Katalysator gespeichert wird, erhöht. Mittels der zweiten Mager-NOx-Falle wird einerseits die NOx-Speicherkapazität erhöht, andererseits wird aber auch eine von der Betriebstemperatur der ersten Mager-NOx-Falle abweichende Betriebstemperatur der zweiten Mager-NOx-Falle ermöglicht. Die zweite Mager-NOx-Falle kann unmittelbar stromabwärts des Turboladers angeordnet sein.
  • In einer vorteilhaften Variante ist die Abgasnachbehandlungsvorrichtung so ausgestaltet, dass der Einlass einen Abgaskrümmer umfasst und die erste Mager-NOx-Falle in den Abgaskrümmer integriert ist. Dies ist einerseits unter Bauraumgesichtspunkten vorteilhaft, andererseits kann durch die hohe Abgastemperatur und den hohen Druck des Abgases die NOx-Speichermenge in der ersten Mager-NOx-Falle erhöht werden.
  • In einer weiteren Variante ist stromabwärts der zweiten Mager-NOx-Falle ein Dieselpartikelfilter mit SCR-Beschichtung angeordnet. Der Dieselpartikelfilter trägt zu einer optimalen Abgasnachbehandlung bei. Insbesondere hat seine Anordnung unmittelbar stromabwärts des Turboladers bzw. des Auslasses des Turboladers den Vorteil, dass durch die an dieser Position hohe Abgastemperatur seine Betriebstemperatur schnell erreicht wird. Der Dieselpartikelfilter kann beispielsweise als aktiver Dieselpartikelfilter mit SCR-Beschichtung ausgestaltet sein.
  • Die zweite Mager-NOx-Falle und/oder der Dieselpartikelfilter, zum Beispiel der aktive Dieselpartikelfilter mit SCR-Beschichtung, können von dem Turbolader räumlich weiter entfernt stromabwärts angeordnet sein, insbesondere auch im Unterboden-Bereich, also beispielsweise unterhalb des Turboladers und der ersten Mager-NOx-Falle und/oder unterhalb eines mit der Abgasnachbehandlungsvorrichtung verbundenen Verbrennungsmotors. Eine Anordnung der zweiten Mager-NOx-Falle und/oder des Dieselpartikelfilters stromabwärts des Turboladers hat weiterhin den Vorteil, dass diese unter hoher Last mit niedrigeren Betriebstemperaturen und damit einer verbesserten Stickoxidumwandlung betrieben werden können. Durch die beschriebene Anordnung im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden darüber hinaus die Emission von Kohlenmonoxid und die Emission von nicht verbrannten Kohlenwasserstoffen in der zweiten Mager-NOx-Falle verringert.
  • Weiterhin kann stromabwärts des Dieselpartikelfilters mit SCR-Beschichtung eine dritte Mager-NOx-Falle angeordnet sein. Die dritte Mager-NOx-Falle kann ebenfalls im Unterboden-Bereich, also beispielsweise unterhalb des Turboladers und der ersten Mager-NOx-Falle und/oder unterhalb eines mit der Abgasnachbehandlungsvorrichtung verbundenen Verbrennungsmotors, angeordnet sein. Die dritte Mager-NOx-Falle kann bei einem niedrigeren Temperaturbereich betrieben werden als die erste und die zweite Mager-NOx-Falle. Die dritte Mager-NOx-Falle trägt damit zu einer weiteren Erhöhung der NOx-Speicherkapazität und einer Verbesserung der NOx-Umwandlung bei.
  • Darüber hinaus können die Spül-Längen der einzelnen Mager-NOx-Fallen ausgedehnt werden, ebenso kann der Lambda-Wert während einer Spülung mit einem fetten Gemisch reduziert werden, da auch im Fall eines „Durchbrechens“ von Stickoxid durch die erste Mager-NOx-Falle, das Stickoxid bei einer hinreichenden Abgastemperatur mittels der zweiten oder dritten Mager-NOx-Falle umgewandelt werden kann. Analog kann durch die zweite Mager-NOx-Falle durchgebrochenes Stickoxid mittels der dritten Mager-NOx-Falle umgewandelt werden.
  • Stromaufwärts der ersten Mager-NOx-Falle kann zum Beispiel ein Lambda-Sensor bzw. eine Lambda-Sonde angeordnet sein. Weiterhin kann stromabwärts der zweiten Mager-NOx-Falle, insbesondere stromaufwärts des Dieselpartikelfilters, ein Lambda-Sensor angeordnet sein. Die genannten Sensoren sind vorzugsweise mit einer Steuereinrichtung, beispielsweise einer elektronischen Steuereinheit (ECU), verbunden und ermöglichen eine Steuerung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung bzw. der einzelnen Abgasnachbehandlungskomponenten in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Abgases.
  • Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Abgasnachbehandlungsvorrichtung besteht darin, dass eine kurze Spül-Länge der Mager-NOx-Fallen realisiert werden kann und eine Entschwefelung bei einer geringeren Temperatur vorgenommen werden kann.
  • Die erfindungsgemäße Verbrennungsmotoranordnung umfasst einen Verbrennungsmotor, vorzugsweise mit einem Abgaskrümmer, und eine stromabwärts des Verbrennungsmotors, insbesondere stromabwärts des Abgaskrümmers, angeordnete oben beschriebene Abgasnachbehandlungsvorrichtung. Vorzugsweise sind die zweite Mager-NOx-Falle und/oder die dritte Mager-NOx-Falle unterhalb des Verbrennungsmotors angeordnet, also zum Beispiel im Unterbodenbereich. Dies ist im Hinblick auf eine optimale Nutzung des Bauraumes von Vorteil.
  • Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verbrennungsmotoranordnung. Die erfindungsgemäße Verbrennungsmotoranordnung und das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug haben die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung bereits genannten Vorteile. Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug kann es sich um einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen, ein Motorrad, ein Moped, einen Bus oder einen Kleinbus handeln.
  • Die Figuren zeigen:
    • 1 zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor mit einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung.
    • 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug.
  • In der 1 ist ein Verbrennungsmotor 1 gezeigt, welcher strömungstechnisch mit einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung 2 verbunden ist. Bei dem Verbrennungsmotor 1 kann es sich zum Beispiel um einen Dieselmotor handeln.
  • Die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung 2 umfasst einen Turbolader 3. Stromaufwärts des Turboladers 3 ist eine erste Mager-NOx-Falle 4 angeordnet. Stromabwärts des Turboladers 3 ist eine zweite Mager-NOx-Falle 5 angeordnet. Stromabwärts der zweite Mager-NOx-Falle 5 ist ein Partikelfilter 6, insbesondere ein Dieselpartikelfilter mit SCR-Beschichtung, angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 6 sind weitere Abgasnachbehandlungsvorrichtungen 7, vorzugsweise eine dritte Mager-NOx-Falle, angeordnet.
  • Stromaufwärts der ersten Mager-NOx-Falle 4 ist ein erster Lambda-Sensor 8 angeordnet. Ein zweiter Lambda-Sensor 9 ist stromabwärts der zweiten Mager-NOx-Falle 5 und stromaufwärts des Partikelfilters 6 angeordnet. Die Lambda-Sensoren 8 und 9 sind jeweils mit einer Steuereinrichtung 10 verbunden. Der Verbrennungsmotor 1 ist ebenfalls mit der Steuerungseinrichtung 10 verbunden. Dies ist in der 1 durch gestrichelte Linien gekennzeichnet. Mittels der Steuerungseinrichtung 10 können die Abgasnachbehandlungsvorrichtungen abhängig von der Zusammensetzung des Abgases, sowie in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors 1 individuell gesteuert werden. Die Steuerung der genannten Abgasnachbehandlungsvorrichtungen kann insbesondere das Spülen und Entschwefeln der Mager-NOx-Fallen 4, 5 und 7 umfassen.
  • Das in der 2 gezeigte Kraftfahrzeug 20 umfasst einen Verbrennungsmotor 1, beispielsweise einen Dieselmotor, und eine erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung 2.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Verbrennungsmotor
    2
    Abgasnachbehandlungsvorrichtung
    3
    Turbolader
    4
    erste Mager-NOx-Falle
    5
    zweite Mager-NOx-Falle
    6
    Partikelfilter
    7
    dritte Mager-NOx-Falle
    8
    erster Lambda-Sensor
    9
    zweiter Lambda-Sensor
    10
    Steuereinrichtung
    20
    Kraftfahrzeug
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 6938412 B2 [0003]
    • US 10036293 B2 [0003]
    • US 2014/0202140 A1 [0003]
    • US 2011/0023482 A1 [0003]

Claims (9)

  1. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (2) für einen Verbrennungsmotor (1), welche einen Einlass umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Einlasses eine erste Mager-NOx-Falle (4) angeordnet ist, stromabwärts der ersten Mager-NOx-Falle (4) ein Turbolader (3) angeordnet ist und stromabwärts des Turboladers (3) eine zweite Mager-NOx-Falle (5) angeordnet ist.
  2. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (2) gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass einen Abgaskrümmer umfasst und die erste Mager-NOx-Falle (4) in den Abgaskrümmer integriert ist.
  3. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (2) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Mager-NOx-Falle (5) unmittelbar stromabwärts des Turboladers (3) angeordnet ist.
  4. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (2) gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der zweiten Mager-NOx-Falle (5) ein Dieselpartikelfilter mit SCR-Beschichtung (6) angeordnet ist.
  5. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (2) gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Dieselpartikelfilters mit SCR-Beschichtung (6) eine dritte Mager-NOx-Falle (7) angeordnet ist.
  6. Abgasnachbehandlungsvorrichtung (2) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der ersten Mager-NOx-Falle (4) ein Lambda-Sensor (8) angeordnet sind und stromabwärts der zweiten Mager-NOx-Falle (5) ein Lambda-Sensor (9) angeordnet sind.
  7. Verbrennungsmotoranordnung, welche einen Verbrennungsmotor (1) und eine stromabwärts des Verbrennungsmotors (1) angeordnete Abgasnachbehandlungsvorrichtung (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 umfasst.
  8. Verbrennungsmotoranordnung gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Mager-NOx-Falle (5) und/oder die dritte Mager-NOx-Falle (7) unterhalb des Verbrennungsmotors angeordnet sind.
  9. Kraftfahrzeug (20), welches eine Verbrennungsmotoranordnung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche umfasst.
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