DE102019105748A1

DE102019105748A1 - Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors sowie Abgasnachbehandlungssystem

Info

Publication number: DE102019105748A1
Application number: DE102019105748.5A
Authority: DE
Inventors: Johannes Bunkus; Stephan Kellner
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2019-03-07
Filing date: 2019-03-07
Publication date: 2020-09-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10), welcher mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (40) verbunden ist. Dabei sind in der Abgasanlage (40) stromabwärts einer Turbine (44) eines Abgasturboladers (36) ein motornaher SCR-Katalysator (48, 50), insbesondere ein Partikelfilter (50) mit einer Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden und stromabwärts des ersten SCR-Katalysators (48, 50) ein zweiter SCR-Katalysator (52) angeordnet. Stromabwärts des ersten SCR-Katalysators (48, 50) und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators (52) ist ein Abgassensor (62, 88, 92) zur Erfassung einer Ammoniakkonzentration im Abgaskanal (42) angeordnet. Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst ferner ein erstes Dosierelement (56) mit welchem ein Reduktionsmittel (78) stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators (48, 50) in den Abgaskanal (42) eindosierbar ist sowie ein zweites Dosierelement (58), mit welchem ein Reduktionsmittel (78) stromabwärts des ersten SCR-Katalysators (48, 50) und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators (52) in den Abgaskanal (42) eindosierbar ist. Dabei wird das Reduktionsmittel (78) durch das erste Dosierelement (56) in den Abgaskanal (42) eindosiert und stromabwärts des ersten SCR-Katalysators (48, 50) eine Ammoniakkonzentration im Abgaskanal (42) gemessen. Anhand der gemessenen Ammoniakkonzentration wird die Ammoniakbeladung des zweiten SCR-Katalysators (52) und die Eindosierung des Reduktionsmittels (78) durch das zweite Dosierelement (58) geregelt.Die Erfindung betrifft ferner ein Abgasnachbehandlungssystem zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors sowie ein Abgasnachbehandlungssystem zur Durchführung eines solchen Verfahrens gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellen hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Dabei stellen die Forderungen nach einem weiter sinkenden Verbrauch und die weitere Verschärfung der Abgasnormen hinsichtlich der zulässigen Stickoxid-Emissionen eine Herausforderung für die Motorenentwickler dar. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Weise über einen Drei-Wege-Katalysator, sowie dem Drei-Wege-Katalysator vor- und nachgeschaltete weitere Katalysatoren. Bei Dieselmotoren finden aktuell Abgasnachbehandlungssysteme Verwendung, welche einen Oxidationskatalysator oder ein NO_x-Speicherkatalysator, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren aufweisen. Um die hohen Anforderungen an minimale Stickoxidemissionen zu erfüllen, sind Abgasnachbehandlungssysteme bekannt, welche zwei in Reihe geschaltete SCR-Katalysatoren aufweisen, wobei jedem der SCR-Katalysatoren ein Dosierelement zur Eindosierung eines Reduktionsmittels vorgeschaltet ist. Als Reduktionsmittel wird dabei bevorzugt eine synthetische, wässrige Harnstofflösung verwendet, die in einer dem SCR-Katalysator vorgeschalteten Mischeinrichtung mit dem heißen Abgasstrom vermischt wird. Durch diese Vermischung wird die wässrige Harnstofflösung erhitzt, wobei die wässrige Harnstofflösung Ammoniak im Abgaskanal freisetzt. Eine handelsübliche, wässrige Harnstofflösung setzt sich im Allgemeinen aus 32,5 % Harnstoff und 67,5 % Wasser zusammen.
Aus dem Stand der Technik sind Abgasnachbehandlungssysteme bekannt, welche einen motornahen ersten SCR-Katalysator, insbesondere einen Partikelfilter, mit einer SCR-Beschichtung und einen zweiten SCR-Katalysator aufweisen, welcher in einer motorfernen Unterbodenlage des Kraftfahrzeuges angeordnet ist. Der motornahe Partikelfilter mit der SCR-Beschichtung kann nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors schneller auf seine Betriebstemperatur aufgeheizt werden und somit zeitnah nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors für eine effiziente Konvertierung der Stickoxidemissionen genutzt werden. Der motorferne zweite SCR-Katalysator wird bei hohen Motorlasten und/oder bei einer Regeneration des Partikelfilters genutzt, bei welcher der motornahe Partikelfilter mit der SCR-Beschichtung oberhalb des zur selektiven, katalytische Reduktion notwendigen Temperaturbereichs betrieben wird und somit nur für eine unzureichende Konvertierung der Stickoxide sorgt. Die motornahe Anordnung des Partikelfilters mit der SCR-Beschichtung führt zudem dazu, dass nur eine kurze Mischstrecke zur Vermischung von Reduktionsmittel und Abgas vor Eintritt in den Partikelfilter vorhanden ist und somit die Gleichverteilung über den Querschnitt des Partikelfilters eingeschränkt ist. Dieser Effekt wird bei hohen Abgasmassenströmen und damit verbundenen hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Abgaskanal verstärkt. Dies kann dazu führen, dass unabhängig von der Temperatur die Konvertierungsleistung des Partikelfilters nicht ausreicht und zusätzlich die Konvertierungsleistung des zweiten SCR-Katalysators notwendig ist.
Ferner ist bekannt, dass sich die Konvertierungsleistung der beiden SCR-Katalysatoren steigern lässt, wenn eine definierte Menge an Ammoniak auf der katalytisch wirksamen Oberfläche des jeweiligen SCR-Katalysators eingespeichert wird. In Abhängigkeit vom aktuellen Betriebszustand des Verbrennungsmotors wird stromaufwärts des beschichteten Partikelfilters, stromaufwärts des SCR-Katalysators in Unterbodenlage oder stromaufwärts beider SCR-Katalysatoren Reduktionsmittel in den Abgaskanal eindosiert.
Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist jedoch, dass diese zu Ammoniak-Durchbrüchen durch die SCR-Katalysatoren führen können, wodurch ein Ammoniak-Sperrkatalysator erforderlich wird, welcher Ammoniak zumindest anteilig in Stickoxide konvertiert. Dies steht jedoch im Gegensatz zum angestrebten Ziel, die Stickoxidemissionen zu minimieren.
Aus der DE 10 2018 203 757 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines SCR-Systems mit zumindest zwei SCR-Katalysatoren und zumindest zwei Dosierventilen bekannt, wobei jedem SCR-Katalysator zumindest ein Dosierventil zugeordnet ist, über welches Reduktionsmittellösung für den zugeordneten SCR-Katalysator eindosiert wird. Dabei erfolgen die Eindosierungen über die verschiedenen Dosierventile separat und zeitlich getrennt, wobei ein Umschalten zwischen den Eindosierungen über die verschiedenen Dosierventile abhängig von einer maximalen Gesamteffizienz der SCR-Katalysatoren für die Reduktion von Stickoxiden gesteuert wird.
Die EP 3 111 066 B1 offenbart ein Verfahren in einem Abgasnachbehandlungssystem zur Behandlung eines Abgasstroms eines Verbrennungsmotors, wobei ein erstes Additiv durch die Verwendung einer ersten Dosiervorrichtung und ein zweites Additiv durch die Verwendung einer zweiten Dosiervorrichtung in den Abgaskanal eingebracht werden, wobei eine erforderliche Gesamtreduktion der Stickoxide im Abgasstrom des Verbrennungsmotors durch das Abgasnachbehandlungssystem bereitgestellt wird; und diese Steuerung der ersten Zuführung des ersten Additivs zu einer Erhöhung der ersten Zuführung eines ersten Additivs führt, die so ausgeführt wird, dass ein Schlupf des Additivs aus dem ersten Katalysator zur selektiv katalytischen Reduktion entsteht und im Wesentlichen im ersten Schlupf-Katalysator gespeichert und/oder oxidiert wird.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem Abgasnachbehandlungssystem mit mehreren SCR-Katalysatoren die Stickoxidemissionen möglichst effizient in elementaren Stickstoff zu konvertieren und gleichzeitig den Einsatz an Reduktionsmittel zu minimieren, um Ammoniakemissionen zu vermeiden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, welcher mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist, gelöst. Dabei sind in der Abgasanlage stromabwärts einer Turbine eines Abgasturboladers ein motornaher erster SCR-Katalysator und stromabwärts des ersten SCR-Katalysators ein zweiter SCR-Katalysator angeordnet. Stromabwärts des ersten SCR-Katalysators und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators ist ein Abgassensor zur Erfassung einer Ammoniakkonzentration im Abgaskanal angeordnet. Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst ferner ein erstes Dosierelement, mit welchem ein Reduktionsmittel, insbesondere eine wässrige Harnstofflösung, stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators in den Abgaskanal eindosierbar ist, sowie ein zweites Dosierelement, mit welchem ein Reduktionsmittel stromabwärts des ersten SCR-Katalysators, sowie stromabwärts des Abgassensors zur Erfassung einer Ammoniakkonzentration und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators in den Abgaskanal eindosierbar ist. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

- Eindosieren des Reduktionsmittels in den Abgaskanal durch das erste Dosierelement stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators, wobei
- stromabwärts des ersten SCR-Katalysators und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators eine Ammoniakkonzentration im Abgaskanal gemessen wird, und wobei
- eine Ammoniakbeladung des zweiten SCR-Katalysators mittels der gemessenen Ammoniakkonzentration geregelt wird.

Unter einem motornahen ersten SCR-Katalysator ist in diesem Zusammenhang ein SCR-Katalysator zu verstehen, dessen Einlass mit einer Abgaslauflänge von maximal 80 cm, vorzugsweise maximal 50 cm, von dem Auslass des Verbrennungsmotors beabstandet ist. Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren ist es möglich, die Stickoxid-Emissionen zu verringern, indem der Ammoniak-Schlupf über den zweiten SCR-Katalysator verringert wird und eine Umsetzung von Ammoniak stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators nicht notwendig ist. Ferner lässt sich dadurch der Verbrauch an Reduktionsmittel verringern, da der zweite SCR-Katalysator nicht an seiner Speichergrenze für Ammoniak betrieben werden muss und weniger Ammoniak-Schlupf auftritt. Zudem wird weniger Ammoniak über die Niederdruck-Abgasrückführung in die Brennräume des Verbrennungsmotors zurückgeführt, was die Rohemissionen, insbesondere die Stickoxidemissionen, minimiert.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und nicht triviale Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch aufgeführten Verfahrens zur Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors möglich.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die durch das zweite Dosierelement eindosierte Reduktionsmittelmenge durch die gemessene Ammoniakkonzentration geregelt wird. Durch die Erfassung der Ammoniak-Konzentration stromabwärts des ersten SCR-Katalysators und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators kann das zweite Dosierelement unmittelbar auf einen maximalen NO_x-Umsatz ohne Ammoniakschlupf über den zweiten SCR-Katalysator geregelt werden. Dabei wird die durch das zweite Dosierelement eindosierte Reduktionsmittelmenge derart angepasst, dass ein Ammoniakschlupf über den zweiten SCR-Katalysator betriebssicher vermieden wird.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der zweite SCR-Katalysator auf eine Ammoniakbeladung von 50 % - 100 %, insbesondere auf eine Ammoniakbeladung von 70 % - 90 %, eingeregelt wird. Durch eine derartige Ammoniakbeladung wird ein hoher Wirkungsgrad bezüglich der Umsetzung von Stickoxiden erreicht, jedoch ein Ammoniakschlupf durch eine Überladung des zweiten SCR-Katalysators betriebssicher vermieden. Somit kann ein Anstieg der Endrohremissionen, insbesondere der Ammoniak- oder Stickoxidemission, durch eine Überdosierung von Reduktionsmittel vermieden werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Ammoniakbeladung des ersten SCR-Katalysators durch den Abgassensor und das Motorsteuergerät auf einen Füllstand von 50 % - 100 %, insbesondere von 80 % - 100 %, der maximalen Ammoniakspeicherfähigkeit des ersten SCR-Katalysators eingeregelt wird. Um eine möglichst effiziente Konvertierung der Stickoxide im Abgas des Verbrennungsmotors zu erreichen, sollte der erste SCR-Katalysator nahe seiner Beladungsgrenze für Ammoniak betrieben werden. Dabei wird durch den Abgassensor primär nicht die Beladung des ersten SCR-Katalysators mit Ammoniak geregelt, sondern die Eindosierung von Reduktionsmittel durch das zweite Dosiermodul. Selbst bei einer Überdosierung von Reduktionsmittel durch das erste Dosiermodul und einem daraus resultierenden Ammoniakschlupf stromabwärts des ersten SCR-Katalysators kann das Ammoniak dann im zweiten SCR-Katalysator umgesetzt werden, sodass kein Ammoniakschlupf über den zweiten SCR-Katalysator auftritt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass bei einem Anstieg der gemessenen Ammoniakkonzentration an dem Abgassensor auf eine vollständige Befüllung des Ammoniakspeichers des ersten SCR-Katalysators geschlossen wird. Dadurch ist eine einfache und kostengünstige Regelung des ersten SCR-Katalysators auf einen maximalen Füllstand bezüglich des im ersten SCR-Katalysator gespeicherten Ammoniaks möglich.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn eine Adaption eines im Motorsteuergerät abgelegten Füllstandsmodells für den ersten SCR-Katalysator erfolgt, wenn der Verbrennungsmotor an einem quasi-stationären Betriebspunkt betrieben wird und der Abgassensor einen Anstieg der Ammoniakkonzentration im Abgaskanal stromabwärts des ersten SCR-Katalysators erkennt. Ein quasi-stationärer Betriebspunkt kann beispielsweise bei einer Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit auf einer Autobahn oder einer Landstraße erreicht werden, insbesondere wenn die Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeuges mit einer Geschwindigkeitsregelanlage auf eine konstante Geschwindigkeit geregelt wird.
Erfindungsgemäß wird ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, welcher mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist, vorgeschlagen, wobei in der Abgasanlage stromabwärts einer Turbine eines Abgasturboladers ein motornaher erster SCR-Katalysator und stromabwärts des motornahen ersten SCR-Katalysators ein zweiter SCR-Katalysator angeordnet sind. Dabei ist stromabwärts des motornahen ersten SCR-Katalysators und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators ein Abgassensor zur Erfassung der Ammoniakkonzentration im Abgaskanal angeordnet. Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst ferner ein erstes Dosierelement, mit welchem ein Reduktionsmittel stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators in den Abgaskanal eindosierbar ist und ein zweites Dosierelement, mit welchem ein Reduktionsmittel stromabwärts des ersten SCR-Katalysators und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators in den Abgaskanal eindosierbar ist. Der Verbrennungsmotor ist mit einem Motorsteuergerät verbunden, welches dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Motorsteuergerät ausgeführt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass der zweite SCR-Katalysator einen Ammoniak-Sperrkatalysator aufweist oder dem zweiten SCR-Katalysator ein Ammoniak-Sperrkatalysator nachgeschaltet ist. Durch einen Ammoniak-Sperrkatalysator kann selbst dann vermieden werden, dass die Eindosierung von Reduktionsmittel zu einer Erhöhung der Ammoniak-Endrohremissionen führt, wenn der Abgassensor ausfällt oder durch eine Funktionsstörung des zweiten Dosierelements zu viel Reduktionsmittel eindosiert wird, sodass es zu einer Überdosierung an Reduktionsmittel kommt. Somit kann betriebssicher erreicht werden, dass selbst bei Ammoniak-Schlupf über den ersten SCR-Katalysator und den zweiten SCR-Katalysator das im Abgaskanal stromabwärts des Partikelfilters vorhandene Ammoniak umgesetzt wird.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das erste Dosierelement und das zweite Dosierelement aus einem gemeinsamen Reduktionsmittelbehälter mit Reduktionsmittel versorgt werden. Durch einen gemeinsamen Reduktionsmittelbehälter ist eine besonders einfache und kostengünstige Versorgung der beiden Dosierelemente mit dem Reduktionsmittel möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers und stromaufwärts des Dosierelements ein Oxidationskatalysator oder ein NO_x-Speicherkatalysator angeordnet ist. Durch einen Oxidationskatalysator oder einen NO_x-Speicherkatalysator kann das Verhältnis von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid verändert werden, wodurch die Effizienz der selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden gesteigert werden kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abgassensor als NH₃-Sensor oder als NH₃-NO_x-Kombisensor ausgeführt ist. Durch einen solchen Sensor kann auf einfache und kostengünstige Art und Weise die Ammoniak-Konzentration im Abgaskanal gemessen werden. Dabei kann ein Ammoniak-Durchbruch durch den ersten SCR-Katalysator erkannt werden und mit der Reduzierung der Dosiermenge des zweiten Dosiermoduls entsprechend gegengesteuert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass der erste SCR-Katalysator als Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung ausgeführt ist, wobei stromabwärts des Partikelfilters und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators an einer Verzweigung eine Niederdruck-Abgasrückführung aus dem Abgaskanal abzweigt, welche den Abgaskanal mit einem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors stromaufwärts eines Verdichters des Abgasturboladers verbindet. Durch den Partikelfilter können Rußpartikel und sonstige Feststoffpartikel aus dem Abgasstrom herausgefiltert werden, sodass diese nicht über die Niederdruck-Abgasrückführung in das Luftversorgungssystem zurückgeführt werden und dort zu Beschädigungen, insbesondere zu Beschädigungen an dem Verdichter des Abgasturboladers, führen können. Zudem können durch eine Abgasrückführung über die Niederdruck-Abgasrückführung in bekannter Weise die Rohemissionen des Verbrennungsmotors minimiert werden, wodurch der Reduktionsmitteleinsatz in der Abgasnachbehandlung ebenfalls reduziert werden kann.
In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass stromabwärts des ersten Dosierelements und stromaufwärts des Partikelfilters mit der Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ein Abgasmischer in dem Abgaskanal angeordnet ist. Durch einen Abgasmischer kann eine homogene Verteilung des Reduktionsmittels im Abgasstrom vor Eintritt in den Partikelfilter erreicht werden. Dabei kann durch den Abgasmischer die Länge der Mischstrecke verkürzt werden, um eine solche homogene Verteilung zu erreichen. Dadurch kann der Partikelfilter näher am Auslass des Verbrennungsmotors angeordnet werden, wodurch ein Aufheizen des Partikelfilters nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors oder zur Regeneration des Partikelfilters begünstigt wird.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Abgassensor stromabwärts der Verzweigung und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators, insbesondere stromabwärts der Verzweigung und stromaufwärts des zweiten Dosierelements, angeordnet ist. Dadurch kann der Abgassensor ausschließlich die Ammoniak-Konzentration bestimmen, welche den zweiten SCR-Katalysator erreicht, wobei über die Niederdruck-Abgasrückführung zurückgeführtes Ammoniak die Messung nicht stört, wodurch ein exakterer Messwert zur Steuerung des zweiten Dosiermoduls erreicht wird.
Die verschiedenen, in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Es zeigen:

1 einen Verbrennungsmotor mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem; und
2 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors.

1 zeigt die schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 10 mit einem Ansaugtrakt 20 und einer Abgasanlage 40. Der Verbrennungsmotor 10 ist als ein direkteinspritzender Verbrennungsmotor, insbesondere als direkteinspritzender Dieselmotor, ausgeführt und weist mehrere Brennräume 12 auf. An den Brennräumen 12 ist jeweils ein Kraftstoffinjektor 14 zur Einspritzung eines Kraftstoffes in den jeweiligen Brennraum 12 angeordnet. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Einlass 16 mit einem Ansaugtrakt 20 und mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 40 verbunden. Der Verbrennungsmotor 10 umfasst ferner eine Hochdruck-Abgasrückführung mit einem Hochdruck-Abgasrückführungsventil, über welches ein Abgas des Verbrennungsmotors 10 von dem Auslass 18 zum Einlass 16 zurückgeführt werden kann. An den Brennräumen 12 sind Einlassventile und Auslassventile angeordnet, mit welchen eine fluidische Verbindung vom Ansaugtrakt 20 zu den Brennräumen 12 oder von den Brennräumen 12 zur Abgasanlage 40 geöffnet oder verschlossen werden kann.
Der Ansaugtrakt 20 umfasst einen Ansaugkanal 28, in welchem in Strömungsrichtung von Frischluft durch den Ansaugkanal 28 ein Luftfilter 22, stromabwärts des Luftfilters 22 ein Luftmassenmesser 24, insbesondere ein Heißfilmluftmassenmesser, stromabwärts des Luftmassenmessers 24 ein Verdichter 26 eines Abgasturboladers 36, stromabwärts des Verdichters 26 eine Drosselklappe 30 und weiter stromabwärts ein Ladeluftkühler 32 angeordnet sind. Dabei kann der Luftmassenmesser 24 auch in einem Filtergehäuse des Luftfilters 22 angeordnet sein, sodass der Luftfilter 22 und der Luftmassenmesser 24 eine Baugruppe ausbildet. Stromabwärts des Luftfilters 22 und stromaufwärts des Verdichters 26 ist eine Einmündung 34 vorgesehen, an welcher eine Abgasrückführungsleitung 86 einer Niederdruck-Abgasrückführung 80 in den Ansaugkanal 28 mündet.
Die Abgasanlage 40 umfasst einen Abgaskanal 42, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den ersten Abgaskanal 42 eine Turbine 44 des Abgasturboladers 36 angeordnet ist, welche den Verdichter 26 im Luftversorgungssystem 20 über eine Welle antreibt. Der Abgasturbolader 36 ist vorzugsweise als Abgasturbolader 36 mit variabler Turbinengeometrie ausgeführt. Dazu sind einem Turbinenrad der Turbine 44 verstellbare Leitschaufeln vorgeschaltet, über welche die Anströmung des Abgases auf die Schaufeln der Turbine 44 variiert werden kann. Stromabwärts der Turbine 44 sind mehrere Abgasnachbehandlungskomponenten 46, 48, 50, 52, 54, 94 vorgesehen. Dabei ist unmittelbar stromabwärts der Turbine 44 als erste Komponente der Abgasnachbehandlung ein Oxidationskatalysator 46 oder ein NO_x-Speicherkatalysator 94 angeordnet. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 46 oder des NO_x-Speicherkatalysators 94 ist ein motornaher erster SCR-Katalysator 48, vorzugsweise ein Partikelfilter 50 mit einer Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Beschichtung) angeordnet. Stromabwärts des motornahen ersten SCR-Katalysators 48 ist vorzugsweise in Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges ein zweiter SCR-Katalysator 52 im Abgaskanal 42 angeordnet. Der zweite SCR-Katalysator 52 weist einen Ammoniak-Sperrkatalysator 54 auf. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 46 oder des NO_x-Speicherkatalysators 94 und stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators 48 ist ein erstes Dosierelement 56 zur Eindosierung eines Reduktionsmittels 78 in den Abgaskanal 42 vorgesehen. Stromabwärts des ersten SCR-Katalysators 48, insbesondere stromabwärts des Partikelfilters 50 mit der SCR-Beschichtung, zweigt an einer Verzweigung 70 eine Abgasrückführungsleitung 86 einer Niederdruck-Abgasrückführung 80 aus dem Abgaskanal 42 ab. Stromabwärts der Verzweigung 70 und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 52 ist ein zweites Dosierelement 58 angeordnet, um das Reduktionsmittel 78 in den Abgaskanal 42 einzudosieren. Das erste Dosierelement 56 und das zweite Dosierelement 58 sind jeweils über eine Reduktionsmittelleitung 72, 74 mit einem gemeinsamen Reduktionsmittelbehälter 76 verbunden, in welchem das Reduktionsmittel 78 bevorratet ist. Ferner umfasst die Abgasanlage 40 eine Abgasklappe 60, mit welcher die Abgasrückführung über die Niederdruck-Abgasrückführung 80 gesteuert werden kann.
Die Niederdruck-Abgasrückführung 80 umfasst neben der Abgasrückführungsleitung 86 einen Abgasrückführungskühler 82 und ein Abgasrückführungsventil 84, über welches die Abgasrückführung durch die Abgasrückführungsleitung 86 steuerbar ist. In dem Abgaskanal 42 kann eine Abgastemperatur T_EG durch einen Temperatursensor 38 erfasst werden oder durch das Motorsteuergerät 90 berechnet werden, um die Niederdruck-Abgasrückführung 80 zu aktivieren, sobald die Abgastemperatur T_EG einen definierten Schwellenwert überschritten hat. An der Abgasrückführungsleitung 86 der Niederdruck-Abgasrückführung 80 kann ein weiterer Temperatursensor vorgesehen werden, um die Temperatur des zurückgeführten Abgases stromabwärts des Abgasrückführungskühlers 82 zu ermitteln. Dadurch kann vermieden werden, dass das zurückgeführte Abgas so stark gekühlt wird, dass der Taupunkt unterschritten wird und es zu einem Auskondensieren von Wassertropfen in der Abgasrückführungsleitung 86 kommt. Somit kann verhindert werden, dass Wasserdampf oder im Abgas enthaltene Gaskomponenten auskondensieren und in der Niederdruck-Abgasrückführung 80 oder im Ansaugtrakt 20 zu Beschädigungen oder Ablagerungen führen. Stromabwärts der Verzweigung 70 und stromaufwärts des Abgasrückführungskühlers 82 kann ferner ein Filter vorgesehen werden, um den Eintrag von Partikeln in die Niederdruck-Abgasrückführung 80 zu minimieren. Der Abgasrückführungskanal 86 mündet an einer Einmündung 34 in die Ansaugleitung 28 des Ansaugtraktes 20.
In der Abgasanlage 40 ist stromabwärts der Verzweigung 70 für die Niederdruck-Abgasrückführung und stromaufwärts des zweiten Dosierelements 58 ein Abgassensor 62 zur Erfassung der Ammoniak-Konzentration im Abgaskanal 42 angeordnet. Der Abgassensor 62 ist vorzugsweise als NH₃-Sensor 88 oder als NH₃-NO_x-Kombisensor 92 ausgeführt. Ferner weist der Partikelfilter 50 einen Differenzdrucksensor 64 auf, mit welchem eine Druckdifferenz Δp über den Partikelfilter 50 ermittelt wird. Auf diese Weise kann der Beladungszustand des Partikelfilters 50 ermittelt und bei Überschreiten eines definierten Beladungsniveaus eine Regeneration des Partikelfilters 50 eingeleitet werden. Ferner ist in der Abgasanlage 40 ein Temperatursensor 38 vorgesehen, um die Abgastemperatur zu ermitteln.
Stromabwärts des ersten Dosierelements 56 und stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators 48 kann ein erster Abgasmischer 66 vorgesehen sein, um eine Durchmischung von Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 und Reduktionsmittel 78 vor Eintritt in den ersten SCR-Katalysator 48 zu verbessern und die Länge der Mischstrecke zu verkürzen. Stromabwärts des zweiten Dosierelements 58 und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 52 kann ein zweiter Abgasmischer 68 angeordnet sein, um die Vermischung von Abgasstrom und Reduktionsmittel 78 zu verbessern und das Verdampfen des Reduktionsmittels 78 im Abgaskanal 42 zu unterstützen.
Der Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Motorsteuergerät 90 verbunden, welches über nicht dargestellte Signalleitungen mit dem Abgassensor 68, 88, 92, dem Differenzdrucksensor 66, dem Temperatursensor 38 sowie mit den Kraftstoffinjektoren 14 des Verbrennungsmotors 10 und den Dosierelementen 56, 58 verbunden ist.
In 2 ist ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors 10 dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt <100> wird das Reduktionsmittel 78 in den Abgaskanal 42 des Verbrennungsmotors 10 eindosiert, wobei aus dem flüssigen Reduktionsmittel 78 mittels Thermolyse Ammoniak gewonnen wird. In einem zweiten Verfahrensschritt <110> wird der erste SCR-Katalysator 48, 50 mit Ammoniak beladen, welches zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden auf dem ersten SCR-Katalysator 48, 50 verwendet wird. In einem Verfahrensschritt <120> wird eine Ammoniakkonzentration an dem Abgassensor 62, 88, 92 stromabwärts des ersten SCR-Katalysators 48, 50 und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 52 gemessen. Anhand der gemessenen Ammoniakkonzentration wird in einem Verfahrensschritt <130> die Menge des durch das zweite Dosierelement 58 eindosierten Reduktionsmittels 78 gesteuert. Dabei erfolgt die Eindosierung des Reduktionsmittels 78 derart, dass ein Ammoniakschlupf über den zweiten SCR-Katalysator 52 betriebssicher vermieden wird. Wird an dem Abgassensor 62, 88, 92 ein Ammoniak-Schlupf und ein daraus resultierender Anstieg der Ammoniak-Konzentration im Abgaskanal 42 gemessen, wird in einem Verfahrensschritt <140> die durch das zweite Dosierelement 58 eindosierte Reduktionsmittelmenge 78 reduziert, um einen Ammoniak-Durchbruch durch den zweiten SCR-Katalysator 52 zu vermeiden.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Brennraum
14: Kraftstoffinjektor
16: Einlass
18: Auslass
20: Ansaugtrakt
22: Luftfilter
24: Luftmassenmesser
26: Verdichter
28: Ansaugkanal
30: Drosselklappe
32: Ladeluftkühler
34: Einmündung
36: Abgasturbolader
38: Temperatursensor
40: Abgasanlage
42: Abgaskanal
44: Turbine
46: Oxidationskatalysator
48: erster SCR-Katalysator
50: Partikelfilter mit SCR-Beschichtung
52: zweiter SCR-Katalysator
54: Ammoniak-Sperrkatalysator
56: erstes Dosierelement
58: zweites Dosierelement
60: Abgasklappe
62: Abgassensor
64: Differenzdrucksensor
66: erster Abgasmischer
68: zweiter Abgasmischer
70: Verzweigung
72: erste Reduktionsmittelleitung
74: zweite Reduktionsmittelleitung
76: Reduktionsmittelbehälter
78: Reduktionsmittel
80: Niederdruck-Abgasrückführung
82: Abgasrückführungskühler
84: Abgasrückführungsventil
86: Abgasrückführungsleitung
88: NH₃-Sensor
90: Motorsteuergerät
92: NH₃-NO_x-Kombisensor
94: NO_x-Speicherkatalysator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018203757 A1 [0006]
EP 3111066 B1 [0007]

Claims

Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10), der mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (40) verbunden ist, wobei in der Abgasanlage (40) stromabwärts einer Turbine (44) eines Abgasturboladers (36) ein motornaher erster SCR-Katalysator (48, 50) und stromabwärts des motornahen ersten SCR-Katalysators (48, 50) ein zweiter SCR-Katalysator (52) angeordnet sind, und wobei stromabwärts des motornahen ersten SCR-Katalysators (48, 50) und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators (52) ein Abgassensor (62, 88, 92) angeordnet ist, sowie mit einem ersten Dosierelement (56), mit welchem ein Reduktionsmittel (78) stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators (48, 50) in den Abgaskanal (42) eindosierbar ist und mit einem zweiten Dosierelement (58), mit welchem ein Reduktionsmittel (78) stromabwärts des ersten SCR-Katalysators (48, 50), sowie stromabwärts des Abgassensors (62, 88, 92) und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators (52) in den Abgaskanal (42) eindosierbar ist, welches folgende Schritte umfasst: - Eindosieren des Reduktionsmittels (78) in den Abgaskanal (42) durch das erste Dosierelement (56) stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators (48, 50), wobei - stromabwärts des ersten SCR-Katalysators (48, 50) und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators (52) eine Ammoniakkonzentration im Abgaskanal (42) gemessen wird, und wobei - eine Ammoniakbeladung des zweiten SCR-Katalysators (52) mittels der gemessenen Ammoniakkonzentration geregelt wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das zweite Dosierelement (58) eindosierte Reduktionsmittelmenge durch die gemessene Ammoniakkonzentration geregelt wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite SCR-Katalysator (52) auf eine Ammoniakbeladung von 50 % - 100 % der maximalen Ammoniakspeicherfähigkeit des zweiten SCR-Katalysators (52) eingeregelt wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ammoniakbeladung des ersten SCR-Katalysators (48, 50) durch den Abgassensor (62, 88, 92) auf einen Füllstand von 50 % - 100 % der maximalen Ammoniakspeicherfähigkeit des ersten SCR-Katalysators (48, 50) eingeregelt wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Anstieg der gemessenen Ammoniakkonzentration an dem Abgassensor (62, 88, 92) auf eine vollständige Befüllung des Ammoniakspeichers des ersten SCR-Katalysators (48, 50) geschlossen wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Adaption eines im Motorsteuergerät (90) abgelegten Füllstandsmodells für den ersten SCR-Katalysator (48, 50) erfolgt, wenn der Verbrennungsmotor (10) an einem quasi-stationären Betriebspunkt betrieben wird und der Abgassensor (62, 88, 92) einen Anstieg der Ammoniakkonzentration im Abgaskanal (42) stromabwärts des ersten SCR-Katalysators (48, 50) erkennt.
Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor (10), welcher mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (40) verbunden ist, wobei in der Abgasanlage (40) stromabwärts einer Turbine (44) eines Abgasturboladers (36) ein motornaher erster SCR-Katalysator (48, 50) und stromabwärts des motornahen ersten SCR-Katalysators (48, 50) ein zweiter SCR-Katalysator (52) angeordnet sind, und wobei stromabwärts des motornahen ersten SCR-Katalysators (48, 50) und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators (52) ein Abgassensor (62, 88, 92) angeordnet ist, sowie mit einem ersten Dosierelement (56), mit welchem ein Reduktionsmittel (78) stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators (48, 50) in den Abgaskanal (42) eindosierbar ist und mit einem zweiten Dosierelement (58), mit welchem ein Reduktionsmittel (78) stromabwärts des ersten SCR-Katalysators (48, 50) und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators (52) in den Abgaskanal (42) eindosierbar ist, sowie mit einem Motorsteuergerät (90), welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Motorsteuergerät (90) ausgeführt wird.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgassensor (62) als NH₃-Sensor (88) oder als NH₃-NO_x-Kombisensor (92) ausgeführt ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste SCR-Katalysator (48) als Partikelfilter (50) mit einer SCR-Beschichtung ausgeführt ist, wobei stromabwärts des Partikelfilters (50) und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators (52) an einer Verzweigung (70) eine Niederdruck-Abgasrückführung (80) aus dem Abgaskanal (42) abzweigt, welche den Abgaskanal (42) mit einem Ansaugtrakt (20) des Verbrennungsmotors (10) stromaufwärts eines Verdichters (26) des Abgasturboladers (36) verbindet.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgassensor (62, 88, 92) stromabwärts der Verzweigung (70) und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators (52), insbesondere stromabwärts der Verzweigung (70) und stromaufwärts des zweiten Dosierelements (58) angeordnet ist.