DE102019115155A1 - Abgasnachbehandlungssystem sowie Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Abgasnachbehandlungssystem sowie Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem (20) für einen Verbrennungsmotor (10). Dabei umfasst das Abgasnachbehandlungssystem (20) eine Abgasanlage (22), welche mit einem Auslass (18) des Verbrennungsmotors (10) verbindbar ist, wobei in der Abgasanlage (22) ein vorzugsweise motornaher Oxidationskatalysator (30) oder ein NOx-Speicherkatalysator (32) angeordnet ist. Stromabwärts des Oxidationskatalysators (30) oder des NOx-Speicherkatalysators (32) sind ein Partikelfilter (34) und ein SCR-Katalysator (38) angeordnet. Es ist vorgesehen, dass in der Abgasanlage (22) ein erstes elektrisches Heizelement (46) und ein zweites elektrisches Heizelement (48) angeordnet sind, mit welchem ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10) vor Eintritt in zwei unterschiedliche Abgasnachbehandlungskomponenten (30, 32, 34, 36, 38) beheizbar ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem (20).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem.
  • 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 StickoxidEmissionen 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 NOx-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.
  • Durch die zunehmende Verschärfung der Emissionsgesetzgebung ist ein schnelles Erreichen der Light-Off-Temperaturen der Abgasnachbehandlungskomponenten notwendig. Zum Erreichen der Light-Off-Temperatur der Abgasnachbehandlungskomponenten sind sowohl innermotorische Heizmaßnahmen, insbesondere eine Verschiebung des Verbrennungsschwerpunktes in Richtung spät oder eine späte Nacheinspritzung, sowie externe Heizmaßnahmen durch ein elektrisches Heizelement in der Abgasanlage oder einen externen Abgasbrenner bekannt.
  • Aus der DE 43 02 039 A1 ist ein Abgaskatalysator mit mehreren Heizzonen bekannt, wobei die unterschiedlichen Bereiche des Katalysators mittels elektrischer Heizelemente unterschiedlich stark aufgeheizt werden können. Somit kann eine bessere Anpassung an unterschiedliche Durchmesser und elektrische Leistungen bei trotzdem guter mechanischer Festigkeit erreicht werden.
  • Die EP 0 743 430 A1 offenbart einen elektrisch beheizbaren Katalysator mit zwei Elektroden, welche durch eine Isolation voneinander getrennt sind, wobei das Gehäuse des Katalysators als Massepol genutzt wird. Dabei sind die Heizdrähte des elektrischen Heizelements senkrecht zur Strömungsrichtung eines Abgasstroms durch den elektrisch beheizbaren Katalysator angeordnet, um den Strömungswiderstand zu minimieren und eine gleichmäßige Erwärmung des Abgasstroms über den Strömungsquerschnitt zu erreichen.
  • Aus der DE 10 2017 118 214 A1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor bekannt. Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst einen Oxidationskatalysator sowie einen stromabwärts des Oxidationskatalysators angeordneten und elektrisch beheizbaren Katalysator zur kontinuierlichen Verbrennung von Rußpartikel (PM-Katalysator). Stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators ist ein weiterer Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet, wobei ein Reduktionsmittel zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden derart in den Abgaskanal eingebracht wird, dass es an der Oberfläche des elektrisch beheizbaren Katalysators zur kontinuierlichen Verbrennung von Rußpartikeln verdampft.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine schnelle und betriebspunktunabhängige Aktivierung des Abgasnachbehandlungskomponenten zu ermöglichen und die Steuerung für elektrische Heizelemente in der Abgasanlage zu vereinfachen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Brennraum gelöst. Dabei umfasst das Abgasnachbehandlungssystem eine Abgasanlage, welche mit einem Auslass des Verbrennungsmotors verbindbar ist, wobei in der Abgasanlage ein vorzugsweise motornaher Oxidationskatalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator angeordnet ist. Stromabwärts des Oxidationskatalysators oder des NOx-Speicherkatalysators sind ein Partikelfilter, insbesondere ein Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden und ein (weiterer) SCR-Katalysator angeordnet. Es ist vorgesehen, dass in der Abgasanlage ein erstes elektrisches Heizelement und ein zweites elektrisches Heizelement angeordnet sind, mit welchen ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors vor Eintritt in zwei unterschiedliche Abgasnachbehandlungskomponenten beheizbar ist. Durch ein solches Abgasnachbehandlungssystem ist es möglich, die Abgasnachbehandlungskomponenten bedarfsgerecht auf ihre jeweilige Betriebstemperatur aufzuheizen, damit die Abgasnachbehandlungskomponenten möglichst zeitnah nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors ihre jeweilige Light-Off-Temperatur erreichen, um eine effiziente Konvertierung der Schadstoffe im Abgas des Verbrennungsmotors, insbesondere eine Minimierung der NOx-Emissionen, zu ermöglichen.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und nicht-triviale Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch genannten Abgasnachbehandlungssystems möglich.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass stromabwärts des Oxidationskatalysators oder des NOx-Speicherkatalysators ein Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden und weiter stromabwärts ein weiterer SCR-Katalysator angeordnet sind. Durch einen Partikelfilter mit SCR-Beschichtung und einen weiteren SCR-Katalysator ist eine maximal-effiziente Konvertierung der StickoxidEmissionen im Abgasstrom des Verbrennungsmotors möglich. Stromaufwärts beider Systeme ist sowohl eine Dosiereinheit als auch eine Mischstrecke mit Abgasmischer angeordnet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass an einer Verzweigung stromabwärts des Partikelfilters ein Abgasrückführungskanal einer Niederdruck-Abgasrückführung aus einem Abgaskanal der Abgasanlage abzweigt. Durch eine Verzweigung stromabwärts des Partikelfilters kann der Partikeleintrag in die Abgasrückführung minimiert werden. Somit ist das zurückgeführte Abgas im Wesentlichen frei von Partikeln. Dadurch können Beschädigungen der Komponenten im Ansaugtrakt, insbesondere Beschädigungen des Verdichters des Abgasturboladers vermieden werden.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass zumindest eines der elektrischen Heizelemente an dem Oxidationskatalysator oder dem NOx-Speicherkatalysator angeordnet ist. Dadurch können der Oxidationskatalysator oder der NOx-Speicherkatalysator mit dem elektrischen Heizelement als Baugruppe ausgeführt werden. Somit kann die Montage der Abgasanlage vereinfacht werden.
  • In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite elektrische Heizelement unmittelbar stromaufwärts der Dosier- und Mischstrecke eines Katalysators zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet ist. Unter unmittelbar stromaufwärts ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass kein weiterer Katalysator zwischen dem elektrischen Heizelement und dem Katalysator zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet ist. Durch ein zweites elektrisches Heizelement unmittelbar stromaufwärts eines SCR-Katalysators kann der SCR-Katalysator in einen Temperaturbereich gebracht werden, bei dem eine effiziente Konvertierung von Stickoxiden möglich ist. Somit können die Endrohr-Emissionen minimiert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste elektrische Heizelement einlassseitig am Oxidationskatalysator oder NOx-Speicherkatalysator und das zweite elektrische Heizelement auslassseitig am Oxidationskatalysator oder NOx-Speicherkatalysator angeordnet sind. Dadurch können sowohl der Oxidationskatalysator oder der NOx-Speicherkatalysator als auch ein dem Oxidationskatalysator oder NOx-Speicherkatalysator nachgeschalteter SCR-Katalysator oder Partikelfilter auf ihre Betriebstemperatur aufgeheizt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Partikelfilter durch das zweite elektrische Heizelement aufgeheizt werden, um eine Regeneration des Partikelfilters einzuleiten oder zu unterstützen. Zudem können bei dieser Ausführungsform beide elektrische Heizelemente in den Oxidationskatalysator oder NOx-Speicherkatalysator integriert werden, was die Montage der Abgasanlage erleichtert.
  • Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass das erste elektrische Heizelement einlassseitig dem Oxidationskatalysator oder NOx-Speicherkatalysator vorgeschaltet ist und das zweite elektrische Heizelement stromabwärts einer Verzweigung für eine Niederdruck-Abgasrückführung und stromaufwärts des weiteren SCR-Katalysators, sowie dessen Dosier- und Mischstrecke angeordnet ist. Dadurch können sowohl der Oxidationskatalysator oder der NOx-Speicherkatalysator als auch der weitere SCR-Katalysator, insbesondere ein SCR-Katalysator in Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges, auf ihre Betriebstemperatur aufgeheizt werden. Dabei wird durch die Anordnung des zweiten elektrischen Heizelements stromabwärts der Verzweigung verhindert, dass Wärme über die Abgasrückführung verloren geht.
  • In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste elektrische Heizelement auslassseitig am Oxidationskatalysator oder am NOx-Speicherkatalysator und das zweite elektrische Heizelement stromabwärts einer Verzweigung einer Niederdruck-Abgasrückführung und stromaufwärts des weiteren SCR-Katalysators angeordnet sind. Dadurch ist ein Aufheizen des Partikelfilter mit SCR-Beschichtung und des weiteren SCR-Katalysators möglich. Dabei wird der motornahe Oxidationskatalysator oder NOx-Speicherkatalysator zum einen durch den Abgasstrom und zum anderen durch die Strahlungswärme des elektrisch beheizten Katalysators beheizt. Somit erreicht der Partikelfilter schneller seine Betriebstemperatur, da ein Durchwärmen des Oxidationskatalysators oder NOx-Speicherkatalysators durch das elektrische Heizelement vermieden wird.
  • In einer vorteilhaften Verbesserung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass die beiden elektrischen Heizelemente unterschiedliche Heizleistungen aufweisen. Durch unterschiedliche Heizleistungen kann die jeweilige Heizleistung individuell an die benötigte Heizleistung zum Aufheizen der dem elektrischen Heizelement nachgeschalteten Abgasnachbehandlungskomponente angepasst werden.
  • Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das zweite elektrische Heizelement eine größere Heizleistung als das erste elektrische Heizelement aufweist. Dabei weist das zweite Heizelement mindestens 51 % der Gesamtheizleistung, vorzugsweise mindestens 60 % der Gesamtheizleistung, besonders bevorzugt mindestens 65 % der Gesamtheizleitung der beiden elektrischen Heizelemente auf. Da das Volumen des Partikelfilters oder des weiteren SCR-Katalysators größer ist als das Volumen des Oxidationskatalysators oder des NOx-Speicherkatalysators, ist es sinnvoll, das zweite elektrische Heizelement leistungsstärker als das erste elektrische Heizelement auszuführen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gesamtheizleistung beider elektrischen Heizelemente zwischen 2,5 KW und 6 KW, vorzugsweise zwischen 3 KW und 5 KW liegt. Eine solche Heizleistung stellt einen guten Kompromiss zwischen der elektrischen Belastung des Bordnetzes und einem Wärmeeintrag in die Abgasanlage dar.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, welcher mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist, vorgeschlagen. Dabei sind in der Abgasanlage in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors ein Oxidationskatalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator und stromabwärts des Oxidationskatalysators oder des NOx-Speicherkatalysators ein Partikelfilter und mindestens ein SCR-Katalysator angeordnet. Es ist vorgesehen, dass der Abgasstrom des Verbrennungsmotors vor Eintritt in eine erste Abgasnachbehandlungskomponente durch ein erstes elektrisches Heizelement und/oder vor Eintritt in eine zweite Abgasnachbehandlungskomponente durch ein zweites elektrisches Heizelement aufgeheizt wird. Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren ist es möglich, die Abgasnachbehandlungskomponenten nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors auf ihre jeweilige Light-Off-Temperatur aufzuheizen. Somit können die Emissionen des Verbrennungsmotors, insbesondere die NOx-Emissionen, minimiert werden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Abgasstrom des Verbrennungsmotors in einem ersten Betriebszustand ausschließlich durch das erste elektrische Heizelement, in einem zweiten Betriebszustand ausschließlich durch das zweite elektrische Heizelement und in einem dritten Betriebszustand durch beide elektrische Heizelemente beheizt werden. Durch die unterschiedlichen Betriebszustände ist es möglich, die Abgasnachbehandlungskomponenten bedarfsgerecht zu beheizen, um mit geringem Energiebedarf die jeweilige Abgasnachbehandlungskomponente optimal zu temperieren.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Oxidationskatalysator oder der NOx-Speicherkatalysator durch das erste elektrische Heizelement beheizt wird und ein Katalysator zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden durch das zweite elektrische Heizelement beheizt wird. Dadurch kann sowohl die Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid als auch, im Fall eines NOx-Speicherkatalysators, die Reduktion von Stickoxiden optimiert werden. Zudem kann ein optimales Verhältnis von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid eingestellt werden, um die selektive, katalytische Reduktion zu optimieren.
  • In einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die elektrischen Heizelemente lediglich digital ein- und ausgeschaltet werden können. Durch digital schaltbare Heizelemente, welche keine Leistungsregelung aufweisen und lediglich ein- beziehungsweise ausgeschaltet werden können, kann die Steuerung der Heizelemente vereinfacht und der Wirkungsgrad des Steuergeräts erhöht werden. Dabei sind vier Betriebszustände möglich, nämlich
    1. 1.) kein Heizelement eingeschaltet;
    2. 2.) erstes Heizelement eingeschaltet, zweites Heizelement ausgeschaltet;
    3. 3.) erstes Heizelement ausgeschaltet, zweites Heizelement eingeschaltet;
    4. 4.) beide Heizelemente eingeschaltet;
    mit welchen ein unterschiedlich starker Wärmeeintrag in die Abgasanlage erfolgen kann. Dadurch kann eine besonders einfache Ansteuerung des elektrischen Heizelements realisiert werden. Somit kann ein besonders einfaches und kostengünstiges Steuergerät verwendet werden. Dabei kann zum Warmhalten der Abgasnachbehandlungskomponenten ein gepulster Betrieb erfolgen.
  • 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 in den Zeichnungen mit gleichen Bezugsziffern versehen. Es zeigen:
    • 1 einen Verbrennungsmotor mit einem erstes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem;
    • 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor;
    • 3 ein drittes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors; und
    • 4 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors.
  • 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 mit einer Mehrzahl von Brennräumen 12. In 1 ist beispielhaft ein Verbrennungsmotor 10 mit vier Brennräumen 12 dargestellt. Prinzipiell sind Verbrennungsmotoren 10 mit einer anderen Anzahl an Brennräumen 12 möglich. Der Verbrennungsmotor 10 ist vorzugsweise als direkteinspritzender Dieselmotor ausgeführt. An den Brennräumen 12 ist jeweils ein Kraftstoffinjektor 14 zum Einspritzen eines brennbaren Kraftstoffs in den jeweiligen Brennraum 12 angeordnet. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 22 eines Abgasnachbehandlungssystems 20 verbunden, welche einen Abgaskanal 24 umfasst. In Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 24 ist stromabwärts einer Turbine 28 eines Abgasturboladers 26 als erste Komponente der Abgasnachbehandlung ein Oxidationskatalysator 30 oder ein NOx-Speicherkatalysator 32 angeordnet. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 30 oder des NOx-Speicherkatalysators 32 ist ein Partikelfilter 34 mit einer Beschichtung 36 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 34 ist ein weiterer SCR-Katalysator 38 angeordnet. Der zweite SCR-Katalysator 38 umfasst einen Ammoniak-Sperrkatalysator 40, welcher auslassseitig in den zweiten SCR-Katalysator 38 integriert ist. Die Turbine 28 des Abgasturboladers 26 treibt einen nicht dargestellten Verdichter in einem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors 10 an, um die den Brennräumen 12 zugeführte Frischluftmenge zu erhöhen. Dazu ist der Ansaugtrakt mit einem Einlass 16 des Verbrennungsmotors 10 verbunden.
  • Stromabwärts des Oxidationskatalysators 30 oder des NOx-Speicherkatalysators 32 und stromaufwärts des Partikelfilters 34 ist im Abgaskanal 24 ein erstes Dosierelement 42 angeordnet, mit welchem ein Reduktionsmittel 70, insbesondere wässrige Harnstofflösung, in den Abgaskanal 24 stromaufwärts des Partikelfilters 34 eindosiert werden kann. Stromabwärts des Partikelfilters 34 und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 38 ist eine Verzweigung 54 vorgesehen, an welcher ein Abgasrückführungskanal 62 einer Niederdruck-Abgasrückführung 60 aus dem Abgaskanal 24 abzweigt.
  • Stromabwärts der Verzweigung 54 und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 38 ist im Abgaskanal 24 eine Abgasklappe 56 angeordnet, mit welcher der Abgasgegendruck im Abgaskanal 24 erhöht und somit der über die Niederdruck-Abgasrückführung 60 zurückgeführte Abgasstrom gesteuert werden kann. Ferner kann stromabwärts der Verzweigung 54 und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 38 ein zweites Dosierelement 44 vorgesehen sein, mit welchem das Reduktionsmittel 70 stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 38 in den Abgaskanal 24 eindosiert werden kann. Die Dosierelemente 42, 44 sind über Reduktionsmittelleitungen 72, 74 mit einem Vorratsbehälter 76 verbunden, in welchem das Reduktionsmittel 70 bevorratet ist.
  • Das Abgasnachbehandlungssystem 20 umfasst ein erstes elektrisches Heizelement 46, welches einlassseitig am Oxidationskatalysator 30 oder am NOx-Speicherkatalysator 32 angeordnet ist. Das Abgasnachbehandlungssystem 20 umfasst ferner ein zweites elektrisches Heizelement 48, welches auslassseitig am Oxidationskatalysator 30 oder am NOx-Speicherkatalysator 32 angeordnet ist. Über die elektrischen Heizelemente 46, 48 kann der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 unabhängig vom Betriebspunkt des Verbrennungsmotors 10 beheizt werden.
  • Die Niederdruck-Abgasrückführung 60 umfasst einen Abgasrückführungskanal 62, in welchem ein Abgasrückführungskühler 66 und ein Abgasrückführungsventil 68 angeordnet sind. Über das Abgasrückführungsventil 68 kann die zurückgeführte Abgasmenge gesteuert werden. Dabei wird die Abgasrückführung erst dann freigegeben, wenn das Abgas eine Mindesttemperatur für die Niederdruck-Abgasrückführung 60 erreicht hat, um ein Auskondensieren von Abgaskomponenten in der Niederdruck-Abgasrückführung 60 zu vermeiden.
  • Ferner kann im Abgaskanal 24 mindestens ein Temperatursensor 58 und/oder ein Abgassensor 78, insbesondere ein NOx-Sensor 82 vorgesehen sein, um die Temperatur und/oder die Schadstoffkonzentration im Abgasstrom zu messen und die Abgasnachbehandlung entsprechend anzupassen.
  • In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 20 dargestellt. Das Abgasnachbehandlungssystem 20 umfasst eine Abgasanlage 22 mit einem Abgaskanal 24, in dem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 stromabwärts des Auslasses 18 des Verbrennungsmotors 10 eine Turbine 28 eines Abgasturboladers 26 angeordnet ist. Stromabwärts der Turbine 28 des Abgasturboladers 26 ist als erste Komponente der Abgasnachbehandlung ein Oxidationskatalysator 30 oder ein NOx-Speicherkatalysator 32 angeordnet. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 30 oder des NOx-Speicherkatalysators 32 ist ein Partikelfilter 34 mit einer Beschichtung 36 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 34 ist ein weiterer SCR-Katalysator 38 angeordnet. Der zweite SCR-Katalysator 38 umfasst einen Ammoniak-Sperrkatalysator 40, welcher dem weiteren SCR-Katalysator 38 nachgeschaltet ist. Alternativ kann der Sperrkatalysator 40 auch auslassseitig in den zweiten SCR-Katalysator 38 integriert sein.
  • Stromabwärts des Partikelfilters 34 ist eine Verzweigung 54 vorgesehen, an welcher ein Abgasrückführungskanal 62 einer Niederdruck-Abgasrückführung 60 aus dem Abgaskanal 24 abzweigt. In dem Abgasrückführungskanal 62 sind ein Abgasrückführungskühler 66 und ein Abgasrückführungsventil 68 angeordnet. Der Abgasrückführungskanal 62 weist einlassseitig ein Filterelement 64 auf, mit welchem Partikel aus zum zurückgeführten Abgas herausgefiltert werden, um einen Partikeleintrag in den Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors 10 zu verhindern. Stromabwärts der Verzweigung 54 ist eine Abgasklappe 56 angeordnet, um den Abgasstrom durch die Niederdruck-Abgasrückführung 60 zu steuern. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 30 oder des NOx-Speicherkatalysators 32 und stromaufwärts des Partikelfilters 34 ist ein erstes Dosierelement 42 vorgesehen, mit welchem ein Reduktionsmittel in den Abgaskanal 24 eindosiert werden kann. Dem ersten Dosierelement 42 kann ein Abgasmischer 50 angeordnet sein, um die Durchmischung von dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 mit dem Reduktionsmittel 70 vor Eintritt in den Partikelfilter 34 zu verbessern. Stromabwärts der Verzweigung 54 und stromaufwärts des weiteren SCR-Katalysators 38 ist ein weiteres Dosierelement 44 vorgesehen, welchem ein weiterer Abgasmischer 52 nachgeschaltet sein kann.
  • Einlassseitig ist am Oxidationskatalysator 30 oder am NOx-Speicherkatalysator 32 ein erstes elektrisches Heizelement vorgesehen, mit welchem der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 vor Eintritt in den Oxidationskatalysator 30 oder den NOx-Speicherkatalysator 32 aufgeheizt werden kann, um den Oxidationskatalysator 30 oder den NOx-Speicherkatalysator 32 auf seine Light-Off-Temperatur aufzuheizen. Stromabwärts der Verzweigung 54 und stromaufwärts des weiteren SCR-Katalysators 38, insbesondere stromabwärts der Verzweigung 54 und stromaufwärts des zweiten Dosierelements 44 ist ein zweites elektrisches Heizelement 48 vorgesehen, mit welchem der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 alternativ oder zusätzlich vor Eintritt in den weiteren SCR-Katalysator 38 beheizt werden kann. Somit kann der weitere SCR-Katalysator 38 auf seine Betriebstemperatur aufgeheizt werden, um eine effiziente Konvertierung der Stickoxide zu ermöglichen.
  • In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Abgasnachbehandlungssystems 20 für einen Verbrennungsmotor 10 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 2 ausgeführt, sind in diesem Ausführungsbeispiel das erste elektrische Heizelement 46 auslassseitig des Oxidationskatalysators 30 oder NOx-Speicherkatalysators 32 und das zweite elektrische Heizelement 48 stromabwärts der Verzweigung 54 und stromaufwärts des weiteren SCR-Katalysators 38, vorzugsweise stromabwärts der Verzweigung 54 und stromaufwärts des zweiten Dosierelements 44 angeordnet.
  • In 4 ist ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors 10 dargestellt. In einem Verfahrensschritt <100> wird der Verbrennungsmotor 10 gestartet. In einem Verfahrensschritt <110> werden sowohl das erste elektrische Heizelement 46 als auch das zweite elektrische Heizelement 48 aktiviert, sodass ein maximaler Wärmeeintrag in die Abgasanlage 22 erfolgt. Hat der Oxidationskatalysator 30, der NOx-Speicherkatalysator 32 seine Light-Off-Temperatur oder einer der SCR-Katalysatoren 34, 36, 38 seine Light-Off-Temperatur erreicht, so kann die in die Abgasanlage 22 eingebrachte Heizleistung reduziert werden, indem eines der elektrischen Heizelemente 46, 48 in einem Verfahrensschritt <120> abgeschaltet wird. Somit erfolgt in einem Verfahrensschritt <130> ein kombiniertes elektrisches und chemisches Beheizen, bei dem die unverbrannten Abgaskomponenten auf dem Oxidationskatalysator 30 oder NOx-Speicherkatalysator 32 exotherm umgesetzt werden. Ist die Abgasanlage 22 durchwärmt, so werden in einem Verfahrensschritt <140> beide elektrische Heizelemente 46, 48 abgeschaltet und die Abgasnachbehandlungskomponenten 30, 32, 34, 36, 38 werden ausschließlich durch den Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 auf ihrer Betriebstemperatur gehalten. Droht ein Auskühlen einer Abgasnachbehandlungskomponente 30, 32, 34, 36, 38, so kann in einem Verfahrensschritt <150> durch das Aktivieren zumindest eines elektrischen Heizelements 46, 48 die Abgastemperatur gesteigert werden, um ein solches Auskühlen zu vermeiden. Ferner können die elektrischen Heizelemente 46, 48 in einem Verfahrensschritt <160> genutzt werden, um eine Regeneration des Partikelfilters 34 einzuleiten oder eine Temperatur aufrecht zu erhalten, bei der eine Oxidation des im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußes erfolgen kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Verbrennungsmotor
    12
    Brennraum
    14
    Kraftstoffinjektor
    16
    Einlass
    18
    Auslass
    20
    Abgasnachbehandlungssystem
    22
    Abgasanlage
    24
    Abgaskanal
    26
    Abgasturbolader
    28
    Turbine
    30
    Oxidationskatalysator
    32
    NOx-Speicherkatalysator
    34
    Partikelfilter
    36
    SCR-Beschichtung des Partikelfilters
    38
    zweiter SCR-Katalysator
    40
    Ammoniak-Sperrkatalysator
    42
    erstes Dosierelement
    44
    zweites Dosierelement
    46
    erstes elektrisches Heizelement
    48
    zweites elektrisches Heizelement
    50
    erster Abgasmischer
    52
    zweiter Abgasmischer
    54
    Verzweigung
    56
    Abgasklappe
    58
    Temperatursensor
    60
    Niederdruck-Abgasrückführung
    62
    Abgasrückführungskanal
    64
    Filterelement
    66
    Abgasrückführungskühler
    68
    Abgasrückführungsventil
    70
    Reduktionsmittel
    72
    erste Reduktionsmittelleitung
    74
    zweite Reduktionsmittelleitung
    76
    Vorratsbehälter
    78
    Abgassensor
    80
    Motorsteuergerät
    82
    NOx-Sensor
  • 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
    • DE 4302039 A1 [0004]
    • EP 0743430 A1 [0005]
    • DE 102017118214 A1 [0006]

Claims (15)

  1. Abgasnachbehandlungssystem (20) für einen Verbrennungsmotor (10) mit mindestens einem Brennraum (12), umfassend eine Abgasanlage (22), welche mit einem Auslass (18) des Verbrennungsmotors (10) verbindbar ist, wobei in der Abgasanlage ein Oxidationskatalysator (30) oder ein NOx-Speicherkatalysator (32), stromabwärts des Oxidationskatalysators (30) oder des NOx-Speicherkatalysators (32) ein Partikelfilter (34) und ein SCR-Katalysator (38) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasanlage (22) ein erstes elektrisches Heizelement (46) und ein zweites elektrisches Heizelement (48) vorgesehen sind, mit welchen ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10) vor Eintritt in zwei unterschiedliche Abgasnachbehandlungskomponenten (30, 32, 34, 36, 38) beheizbar ist.
  2. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Oxidationskatalysators (30) oder des NOx-Speicherkatalysators (32) ein Partikelfilter (34) mit einer Beschichtung (36) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden und weiter stromabwärts ein weiterer SCR-Katalysator (38) angeordnet sind.
  3. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Verzweigung (54) stromabwärts des Partikelfilters (34) ein Abgasrückführungskanal (62) einer Niederdruck-Abgasrückführung (60) aus einem Abgaskanal (24) der Abgasanlage (22) abzweigt.
  4. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der elektrischen Heizelemente (46, 48) an dem Oxidationskatalysator (30) oder dem NOx-Speicherkatalysator (32) angeordnet ist.
  5. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite elektrische Heizelement (48) unmittelbar stromaufwärts der Dosier- und Mischstrecke eines Katalysators (34, 36, 38) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet ist.
  6. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste elektrische Heizelement (46) einlassseitig am Oxidationskatalysator (30) oder NOx-Speicherkatalysator (32) und das zweite elektrische Heizelement (48) auslassseitig am Oxidationskatalysator (30) oder NOx-Speicherkatalysator (32) angeordnet sind.
  7. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste elektrische Heizelement (46) einlassseitig dem Oxidationskatalysator (30) oder NOx-Speicherkatalysator (32) vorgeschaltet ist und das zweite elektrischen Heizelement (48) stromabwärts einer Verzweigung (54) für eine Niederdruck-Abgasrückführung (60) und stromaufwärts des weiteren SCR-Katalysators (38) angeordnet sind.
  8. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste elektrische Heizelement (46) auslassseitig am Oxidationskatalysator (30) oder am NOx-Speicherkatalysator (32) und das zweite elektrische Heizelement (46) stromabwärts einer Verzweigung (54) einer Niederdruck-Abgasrückführung (60) und stromaufwärts der Dosier- und Mischstrecke des weiteren SCR-Katalysators (38) angeordnet sind.
  9. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden elektrischen Heizelemente (46, 48) unterschiedliche Heizleistungen aufweisen.
  10. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite elektrische Heizelement (48) eine größere Heizleistung als das erste elektrische Heizelement (46) aufweist.
  11. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtheizleistung beider elektrischer Heizelemente (46, 48) zwischen 2,5 KW und 6 KW liegt.
  12. Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10), welcher mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (22) verbunden ist, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors (10) ein Oxidationskatalysator (30) oder ein NOx-Speicherkatalysator (32) und stromabwärts des Oxidationskatalysators (30) oder des NOx-Speicherkatalysators (32) ein Partikelfilter (34) und mindestens ein SCR-Katalysator angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10) vor Eintritt in eine erste Abgasnachbehandlungskomponente (30, 32, 34, 36, 38) durch ein erstes elektrisches Heizelement (46) und/oder vor Eintritt in eine zweite Abgasnachbehandlungskomponente (30, 32, 34, 36, 38) durch ein zweites elektrisches Heizelement (48) aufgeheizt wird.
  13. Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10) in einem ersten Betriebszustand ausschließlich durch das erste elektrische Heizelement (46), in einem zweiten Betriebszustand ausschließlich durch das zweite elektrische Heizelement (48) und in einem dritten Betriebszustand durch beide elektrische Heizelemente (46, 48) beheizt wird.
  14. Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationskatalysator (30) oder der NOx-Speicherkatalysator (32) durch das erste elektrische Heizelement (46) beheizt wird und ein Katalysator (34, 36, 38) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden durch das zweite elektrische Heizelement (48) beheizt wird.
  15. Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Heizelemente (46, 48) lediglich digital ein- und ausgeschaltet werden können.
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DE102022204866A1 (de) 2022-05-17 2023-11-23 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zur Abgasnachbehandlung einer Verbrennungskraftmaschine mit mehreren in Reihe geschalteten SCR-Katalysatoren

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