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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors sowie ein Abgasnachbehandlungssystem zur Durchführung eines solchen Verfahrens gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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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 Dieselmotoren finden aktuell Abgasnachbehandlungssysteme Verwendung, welche einen Oxidationskatalysator, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren, insbesondere einen NOx-Speicherkatalysator, aufweisen. Als Reduktionsmittel für den SCR-Katalysator wird dabei bevorzugt Ammoniak verwendet. Weil der Umgang mit reinem Ammoniak aufwendig ist, wird bei Fahrzeugen üblicherweise 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 sind im Allgemeinen aus 32,5 % Harnstoff und 67,5 % Wasser zusammen.
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Immer effizienter werdende Verbrennungsmotoren führen zu niedrigeren Abgastemperaturen. Das verzögert das Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponenten in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors. Um zeitnah nach einem Start des Verbrennungsmotors eine effiziente Verringerung der Emissionen zu ermöglichen, sind motornahe Startkatalysatoren bekannt, welche unmittelbar stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors und stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers angeordnet werden, um sich möglichst schnell nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors aufzuheizen und somit insbesondere in der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors die Emissionen zu verringern.
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Aus der
DE 10 2014 214 588 A1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem schaltbaren Preturbokatalysator bekannt, wobei der Katalysator über eine Ventileinheit in den Abgasstrom des Verbrennungsmotors eingekoppelt beziehungsweise von diesem entkoppelt werden kann. Der Preturbokatalysator verfügt über einen Eingang und einen Ausgang, welche parallel zueinander angeordnet sind und einen Seitenarm des Abgaskanals des Verbrennungsmotors ausbilden.
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Die
DE 10 2007 017 845 A1 offenbart einen Verbrennungsmotor mit einem zweistufigen Abgasturbolader, wobei stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors und stromaufwärts einer ersten Turbine des Abgasturboladers ein Vorkatalysator angeordnet ist, welcher mittels eines Bypasses überbrückt werden kann. Dabei wird der Abgasstrom durch den Bypass geleitet, sobald eine Betriebstemperatur für die Abgasnachbehandlungskomponenten erreicht ist.
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Aus der
DE 10 2018 104 151 A1 ist eine Verbrennungsmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem bekannt, wobei stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors und stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers ein Vorkatalysator angeordnet ist, welcher mittels eines Bypasses überbrückbar ist. Dabei wird der Vorkatalysator als Startkatalysator genutzt, solange die stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers liegenden Abgasnachbehandlungskomponenten noch nicht ihre Betriebstemperatur erreicht haben.
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Die
DE 10 2015 213 617 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem Abgaskanal, einem im Abgaskanal angeordneten Drei-Wege-Katalysator, einem diesem nachgeschalteten SCR-Katalysator sowie einem diesem nachgeschalteten NOx-Speicherkatalysator. Dabei wird der Verbrennungsmotor mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben und die NOx-Emissionen in dem NOx-Speicherkatalysator in Form von Nitraten eingelagert. Zur Regeneration des NOx-Speicherkatalysators wird der Verbrennungsmotor mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben, wobei im Drei-Wege-Katalysator stromauf des NOx-Speicherkatalysators Ammoniak gebildet wird und das Ammoniak in den SCR-Katalysator eingespeichert wird. Bei einem ersten Magerbetrieb des Verbrennungsmotors werden die Stickoxidemissionen durch das im SCR-Katalysator eingespeicherte Ammoniak reduziert.
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Aus der
DE 10 2016 113 101 A1 ist ein Verfahren zum Entfernen von Schwefel aus einem NOx-Speicherkatalysator eines Mild-Hybridfahrzeugs bekannt. Dabei wird der Verbrennungsmotor durch einen integrierten Starter-Generator belastet, welcher im Generatorbetrieb betrieben wird, wobei der Verbrennungsmotor mit einem erhöhten Drehmoment und einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird.
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EP 2 988 852 B1 beschreibt ein Verfahren zur gezielten Entschwefelung von NOx-Speicherkatalysatoren, welche zur Abgasreinigung von überwiegend mager verbrennenden Benzinmotoren eingesetzt werden, wobei die NOx-Speicherkatalysatoren Cer- und Erdalkalimetall-haltige Stickoxidspeichermaterialien im Gewichtsverhältnis bezogen auf CeO2:Erdalkalimetalloxid von Cer-haltigen zu Erdalkalimetall-haltigen Stickoxidspeichermaterialien von 10:1 bis 20:1 aufweisen. Dabei wird der NOx-Speicherkatalysator zur Entschwefelung mit einem unterstöchiometrischen Abgas mit einem Verbrennungsluftverhältnis von 0,99 ≤ λ < 1,0 und einer Abgastemperatur von mindestens 500°C entschwefelt.
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Ferner ist aus der
DE 10 2010 005 814 A1 eine Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor bekannt, welche einen Abgaskrümmer und einen Abgasturbolader umfasst, wobei zwischen dem mit dem Auslass des Verbrennungsmotors verbundenen Abgaskrümmer und einer Turbine des Abgasturboladers eine erste Abgasreinigungsanlage angeordnet ist. Dabei ist ein Strömungsquerschnitt der ersten Abgasreinigungsanlage ein Teilströmungsquerschnitt des Abgaskanals, wobei der Strömungsquerschnitt der ersten Abgasreinigungsanlage durch ein Schließelement verschließbar ist. Stromabwärts der Turbine ist mindestens eine weitere Abgasreinigungsanlage angeordnet.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem Verbrennungsmotor die Schadstoffemissionen im realen Fahrbetrieb weiter zu verringern und insbesondere die Stickoxidemissionen in der Kaltstartphase weiter zu verringern.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem Abgasnachbehandlungssystem gelöst, wobei der Verbrennungsmotor mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist. In der Abgasanlage sind eine Turbine eines Abgasturboladers und stromabwärts der Turbine ein motornaher erster Katalysator angeordnet. Stromabwärts des Auslasses des Verbrennungsmotors und stromaufwärts des motornahen ersten Katalysators ist ein Bypass ausgebildet, in welchem ein Bypass-Katalysator angeordnet ist. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- - Starten der Verbrennungsmotors, wobei der Bypass geöffnet wird,
- - Leiten des Abgasstroms des Verbrennungsmotors durch den Bypass, wobei
- - die Stickoxidemissionen des Verbrennungsmotors in der Kaltstartphase in dem Bypass-Katalysator eingespeichert werden, wobei
- - der Bypass ausschließlich in der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors und zur Regeneration des Bypass-Katalysators geöffnet wird.
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Da der Bypass-Katalysator ausschließlich in einer Kaltstartphase und zur Regeneration vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors durchströmt werden, kann eine Kontamination des Bypass-Katalysators mit Schwefel minimiert werden, sodass die Intervalle zur Entschwefelung des Bypass-Katalysators besonders lange gewählt werden können, wodurch der Verbrauch des Verbrennungsmotors reduziert werden kann.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Abgasnachbehandlungssystems möglich.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Abgasstrom unterhalb einer ersten Schwellentemperatur durch den Bypass geleitet wird und der Bypass oberhalb dieser Schwellentemperatur aus dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors entkoppelt wird. Bevorzugt ist die Verwendung des Bypass-Katalysators als Startkatalysator, da dieser durch die motornahe Position, insbesondere durch eine Position stromaufwärts der Turbine des Abgasturboladers besonders schnell nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors seine Betriebstemperatur erreicht. Ferner kann durch die Entkopplung verhindert werden, dass es oberhalb einer Schwellentemperatur zu einer thermischen Schädigung oder einer vorzeitigen Alterung des Bypass-Katalysators kommt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Bypass-Katalysator als NOx-Speicherkatalysator ausgeführt ist, wobei unmittelbar auf die Kaltstartphase des Verbrennungsmotors eine unvollständige Regeneration des NOx-Speicherkatalysators erfolgt. Der Bypass-Katalysator ist als Startkatalysator vorgesehen, wenn die stromabwärts angeordneten Katalysatoren noch nicht ihre Betriebstemperatur und somit noch keine oder nur eine eingeschränkte Wirksamkeit aufweisen. Dabei kann der Katalysator die Funktion übernehmen, Schadstoffe, insbesondere Stickoxide, zwischenzuspeichern, bis diese durch die nachgeschalteten Katalysatoren, insbesondere durch einen SCR-Katalysator, in unschädliche Abgasbestandteile konvertiert werden können. Ferner kann der Bypass-Katalysator eine exotherme, oxidative Umsetzung von Schadstoffen ermöglichen, wodurch ein Aufheizen der stromabwärts angeordneten Katalysatoren begünstigt wird. Um zumindest für einen folgenden Kaltstart eine hinreichende Speicherkapazität an Stickoxiden bereitstellen zu können, wird der NOx-Speicherkatalysator unmittelbar nach dem Kaltstart, vorzugsweise für ein bis drei Sekunden, mit einem unterstöchiometrischen Abgas durchströmt. Eine vollständige Regeneration des NOx-Speicherkatalysators erfolgt dann, wenn sämtliche Abgasnachbehandlungskomponenten ihre Betriebstemperatur erreicht haben. Somit kann sichergestellt werden, dass zumindest die Kaltstartemissionen für einen weiteren Kaltstart in dem NOx-Speicherkatalysator eingespeichert werden können und eine effiziente Abgasnachbehandlung gewährleistet ist.
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In einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Entschwefelung des Bypass-Katalysators in einem Werkstattbetrieb erfolgt, wobei ein konstanter Lastpunkt des Verbrennungsmotors mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis und einer im Wesentlichen konstanten Abgastemperatur erfolgt. Dadurch kann eine besonders materialschonende Regeneration des NOx-Speicherkatalysators erreicht werden. Durch den geringen Betriebsanteil des Bypass-Katalysators sind die Zyklen bis zu einer notwendigen Entschwefelung des Bypass-Katalysators entsprechend lang, sodass bis zu einem Servicetermin damit gewartet werden kann. Durch die Entschwefelung unter definierten Bedingungen kann eine thermische Überlastung des Bypass-Katalysators ausgeschlossen werden, wodurch eine vorzeitige Alterung des Bypass-Katalysators verhindert wird.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn während der Entschwefelung ein zyklischer Wechsel zwischen einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis und einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors erfolgt, um Schwefelwasserstoffdurchbrüche (H2S) zu vermeiden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Bypass-Katalysator als passiver NOx-Adsorber ausgeführt ist, wobei der passive NOx-Adsorber nach jedem Kaltstart des Verbrennungsmotors regeneriert wird. Da eine Regeneration des passiven NOx-Adsorbers bei höherer Abgastemperatur durch eine thermische Desorption der eingespeicherten Stickoxide erfolgt, führt eine solche Regeneration nicht zu einem Mehrverbrauch. Da der passive NOx-Adsorber die Stickoxide zurückhalten kann, bis weitere Abgasnachbehandlungskomponenten zur Reduzierung der Stickoxidemissionen, insbesondere ein SCR-Katalysator, ihre Betriebstemperatur erreicht haben, kann auf diese Art eine effiziente Verringerung der Kaltstartemissionen erreicht werden.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn eine Entschwefelung des passiven NOx-Adsorbers bei einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis und einer Abgastemperatur von mindestens 700°C erfolgt. Dadurch kann eine wirksame Regeneration des NOx-Adsorbers erreicht werden. Gleichzeitig kann die Gefahr einer irreversiblen Schädigung durch unverbrannten Kohlenwasserstoff ausgeschlossen werden.
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Erfindungsgemäß wird ein Abgasnachbehandlungssystem zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen, wobei der Verbrennungsmotor mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist, wobei in der Abgasanlage eine Turbine eines Abgasturboladers und stromabwärts der Turbine ein motornaher erster Katalysator angeordnet sind, und wobei stromabwärts des Auslasses des Verbrennungsmotors und stromaufwärts der Turbine ein Bypass ausgebildet ist, in welchem ein Bypass-Katalysator angeordnet ist. Dabei ist der Verbrennungsmotor mit einem Steuergerät verbunden, welcher dazu eingerichtet ist, ein solches Verfahren zur Abgasnachbehandlung durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Steuergerät ausgeführt wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass an dem Abgaskanal ein Schaltelement vorgesehen ist, mit welchem das Abgasnachbehandlungssystem zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand umschaltbar ist. Durch ein Schaltelement ist ein einfaches Umschalten zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand möglich, wobei ein vorzugsweise elektromechanischer Aktuator vorgesehen ist, mit welchem das Schaltelement von einer ersten Schaltstellung, in welcher der Abgasstrom des Verbrennungsmotors durch den Bypass geführt wird, in den zweiten Betriebszustand, in welchem der Bypass vom Abgasstrom entkoppelt ist, gebracht werden kann.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das Schaltelement ein Klappenventil oder ein Schieberventil umfasst. Durch ein Klappenventil oder ein Schieberventil kann der Abgasstrom des Verbrennungsmotors besonders einfach derart umgeleitet werden, dass er in einer Ventilstellung durch den Bypass geleitet wird, und der Bypass in einer zweiten Ventilstellung verschlossen ist, sodass der Abgasstrom an dem Bypass vorbeigeleitet wird und der Bypass-Katalysator vom Abgasstrom entkoppelt ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Abgasanlage eine Turbine eines Abgasturboladers angeordnet ist, wobei der Bypass-Katalysator in Abgasstromrichtung stromaufwärts der Turbine angeordnet ist. Da die Abgastemperatur des Verbrennungsmotors stromaufwärts der Turbine in der Regel deutlich höher als stromabwärts der Turbine ist, ist eine Anordnung des Bypass stromaufwärts der Turbine besonders vorteilhaft, um ein schnelles Aufheizen des Bypass-Katalysators zu erreichen.
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In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Abgasanlage zumindest ein elektrisches Heizelement zum elektrischen Beheizen mindestens eines der Katalysatoren angeordnet ist. Durch ein elektrisches Heizelement kann die Zeit bis zu einer Betriebstemperatur, ab welcher eine effiziente Konvertierung von Schadstoffen durch den jeweiligen Katalysator erfolgen kann, verkürzt werden. Dabei ist insbesondere an dem motornahen NOx-Speicherkatalysator ein elektrisches Heizelement, vorzugsweise in Form einer Heizscheibe, vorgesehen, um möglichst zeitnah nach einem Kaltstart eine Einlagerung von Stickoxiden zu ermöglichen und somit die Stickoxid-Emissionen in der Kaltstartphase signifikant zu reduzieren.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass der Bypass-Katalysator einen Washcoat oder eine Beschichtung aufweist, welche(r) eine hohe Niedertemperaturaktivität hat. Da der Bypass-Katalysator primär als Startkatalysator oder in Betriebsphasen mit niedriger Last genutzt wird, kann der Washcoat oder die Beschichtung speziell auf einen Niedertemperaturbereich optimiert werden. Da der Bypass-Katalysator bei höherer Abgastemperatur und/oder höherer Motorlast von dem Abgasstrom entkoppelt werden kann und in diesen Phasen nicht von Abgas durchströmt wird, besteht nicht die Gefahr, dass diese Betriebssituationen zu einer thermischen Schädigung des Bypass-Katalysators führen.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei in den Zeichnungen mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Es zeigen:
- 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen Verbrennungsmotor mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem; und
- 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Verbrennungsmotor mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem.
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1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10, welcher mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 20 verbunden ist. Der Verbrennungsmotor 10 weist eine Mehrzahl von Brennräumen 12 auf, in denen ein Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Einlass 16 auf, über welchen den Brennräumen 12 Frischluft zugeführt wird. An jedem Brennraum 12 ist ein Kraftstoffinjektor 14 angeordnet, um Kraftstoff in den jeweiligen Brennraum 12 einzuspritzen und den Kraftstoff mit der Frischluft exotherm umzusetzen. Der Verbrennungsmotor 10 weist eine Hochdruck-Abgasrückführung 62 auf, welche den Auslass 18 mit dem Einlass 16 des Verbrennungsmotors 10 verbindet. Die Hochdruck-Abgasrückführung 62 umfasst einen Abgasrückführungskanal 64 sowie eine Abgasrückführungsventil 66, über welches die zurückgeführte Abgasmenge gesteuert werden kann.
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In der Abgasanlage 20 ist in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors 10 eine Turbine 28 eines Abgasturboladers 26 angeordnet. In Strömungsrichtung des Abgasstroms durch die Abgasanlage 20 ist stromabwärts der Turbine 28 ein motornaher erster Katalysator 30 angeordnet, welcher in diesem Ausführungsbeispiel als NOx-Speicherkatalysator 32 oder als Oxidationskatalysator 34 ausgeführt ist. Stromabwärts des motornahen ersten Katalysators 30 können in einem Abgaskanal 22 der Abgasanlage 20 weitere Abgasnachbehandlungskomponenten 36, insbesondere ein SCR-Katalysator und/oder ein Partikelfilter, angeordnet sein.
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Stromabwärts des Auslasses 18 des Verbrennungsmotors 10 und stromaufwärts der Turbine 28 des Abgasturboladers 26 verzweigt sich der Abgaskanal 22 an einer Verzweigung 42 in einen Hauptkanal und einen Bypass 24, wobei in dem Bypass 24 ein sogenannter Preturbokatalysator 44 als schaltbarer Bypass-Katalysator 40 angeordnet ist. An dem Bypass 24 ist ein Schaltelement 38, insbesondere ein Schieberventil 52, vorgesehen, mit welchem der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 wahlweise durch den Bypass 24 oder durch den Hauptkanal des Abgaskanals 22 geleitet werden kann. Alternativ zu einem Schieberventil 52 kann das Schaltelement 38 auch als Klappenventil 50 ausgebildet sein. An einer Einmündung 54 stromaufwärts der Turbine 28 des Abgasturboladers 26 mündet der Bypass 24 wieder in den Abgaskanal 22. Somit kann der Bypass 24 von dem Abgaskanal 22 durch das Schaltelement 38 getrennt werden, so dass kein Abgas durch den Bypass strömt. Entsprechend der Schaltstellung des Schaltelements 38 wird der Bypass-Katalysator 40 in einer ersten Schaltstellung von dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 durchströmt, während der Bypass-Katalysator 40 in einer zweiten Schaltstellung des Schaltelements 38 von dem Abgaskanal 22 entkoppelt ist und nicht mit Abgas durchströmt wird. Der Bypass-Katalysator 40 ist vorzugsweise als NOx-Speicherkatalysator 46 oder als passiver NOx-Adsorber 48 ausgebildet, um insbesondere in einer Kaltstartphase die NOx-Emissionen des Verbrennungsmotors 10 zu verringern. In dem Abgaskanal 22 ist stromabwärts des Auslasses 18 und stromaufwärts der Verzweigung 42 eine Lambdasonde 58 zur Erfassung des Sauerstoffgehalts im Abgas angeordnet. In dem Abgaskanal 22 ist stromabwärts der Turbine 28 des Abgasturboladers 26 und stromaufwärts des motornahen ersten Katalysators 30 ein NOx-Sensor 56 zur Erfassung der Stickoxidkonzentration im Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 angeordnet. Der Verbrennungsmotor 10 steht mit einem Steuergerät 60 in Wirkverbindung, welches die in die Brennräume 12 eindosierte Kraftstoffmenge und die Position des Schaltelements 38 steuert. Die Lambdasonde 58 und der NOx-Sensor 56 sind über Signalleitungen mit dem Steuergerät 60 verbunden.
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Die Position eines Preturbokatalysators 44 stromaufwärts der Turbine 28 des Abgasturboladers 26 kann in bestimmten Betriebspunkten des Verbrennungsmotors 10 zu einer höheren thermischen Belastung des Preturbokatalysators 44 und somit zu einer Schädigung oder einer frühzeitigen Alterung des Preturbokatalysators 44, insbesondere zu einer Schädigung der katalytisch wirksamen Beschichtung, führen. Durch das Schaltelement 38 kann der Bypass-Katalysator 40 in solchen Betriebssituationen aus dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 entkoppelt werden, um die Gefahr einer thermischen Beschädigung oder einer vorzeitigen Alterung des Bypass-Katalysators 40 zu minimieren. Ein weiterer Vorteil eines schaltbaren Bypass-Katalysators 40 liegt darin begründet, dass eine Verschwefelung des Bypass-Katalysators 40 durch das Entkoppeln aus dem Abgasstrom reduziert wird, und somit eine geringere Häufigkeit zur Entschwefelung dieses Katalysators 40 besteht. Da eine solche Entschwefelung mit einer erhöhten thermischen Belastung verbunden ist, wird durch die Entkoppelung das Alterungsverhalten des Bypass-Katalysators 40 weiter verbessert. Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil ist die Verwendung von Beschichtungen mit hoher Tieftemperaturaktivität für den Bypass-Katalysator 40, vorzugsweise einer Beschichtung mit NOx- adsorbierender Wirkung, welche bei höherer thermischer Belastung die adsorbierte Abgaskomponente wieder desorbieren. Dieser Vorgang kann durch das Schaltelement 38 gezielt gesteuert werden.
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Das Zusammenspiel des Preturbokatalysators 44 für eine Steigerung der Tieftemperaturaktivität, insbesondere nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10, mit den weiteren Abgasnachbehandlungskomponenten 36 stromabwärts der Turbine 28 des Abgasturboladers 26 führt zu einer Aufweitung des Temperaturfensters, in welchem eine effiziente Konvertierung von Abgaskomponenten möglich ist. Somit können die Emissionen im realen Fahrbetrieb durch ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem reduziert werden.
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In 2 ist eine weitere Darstellung des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, wird im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen. Dabei ist die Lambdasonde 58 stromabwärts der Verzweigung 42 in dem Bypass angeordnet. Der NOx-Sensor 56 ist stromabwärts der Einmündung 54 und stromaufwärts der Turbine 28 des Abgasturboladers 26 im Abgaskanal 22 angeordnet. Alternativ kann die Lambdasonde 58 auch wie zu 1 ausgeführt in dem Abgaskanal 22 stromabwärts des Auslasses 18 und stromaufwärts der Verzweigung 42 angeordnet sein. Ferner kann der NOx-Sensor 56 alternativ wie in 1 dargestellt in dem Abgaskanal 22 stromabwärts der Einmündung 54 und stromaufwärts der Turbine 28 angeordnet sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist der Bypass-Katalysator 40 als NOx-Speicherkatalysator 46 ausgeführt. Das Volumen des NOx-Speicherkatalysators 46 ist dabei so ausgelegt, dass die Stickoxidemissionen von ein bis zehn Kaltstarts, in einer bevorzugten Auslegung von zwei bis sechs Kaltstarts, in dem NOx-Speicherkatalysator 46 gespeichert werden können. Ein kleineres Volumen hat Packagevorteile und eine geringere thermische Masse, ein größeres Volumen geht mit einer größeren NOx-Speicherkapazität einher, so dass der NOx-Speicherkatalysator 46 seltener regeneriert werden muss. Dabei soll für den jeweiligen Anwendungsfall ein bestmöglicher Kompromiss gefunden werden. Der NOx-Speicherkatalysator 46 soll immer ausreichend freie NOx-Speicherkapazität aufweisen, um noch mindestens die Stickoxidemissionen eines weiteren Kaltstarts speichern zu können. Damit muss nicht im Anschluss an jeden Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 eine NOx-Regeneration stattfinden. Um die Temperatur im NOx-Speicherkatalysator 46 auf möglichst hohem Temperaturniveau zu halten kann der Bypass 24 in Leerlaufphasen des Verbrennungsmotors 10 deaktiviert werden.
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Die Regeneration des NOx-Speicherkatalysator 46 sollte bei ausreichender Katalysatortemperatur, idealerweise einer Katalysatortemperatur >250°C durchgeführt werden, da eine zu niedrige Katalysatortemperatur zu einer unvollständigen Regeneration führt. Die NOx-Regeneration kann direkt vor der Deaktivierung des Bypasses 24 durchgeführt werden. Bei einer nicht ausreichenden Katalysatortemperatur des NOx-Speicherkatalysators 46 kann in diesem Fall noch eine zusätzliche motorische Heizmaßnahme des Verbrennungsmotors 10, insbesondere eine späte Nacheinspritzung von Kraftstoff in die Brennräume 12, durchgeführt werden. Alternativ kann die NOx-Regeneration zeitlich später im Betrieb des Verbrennungsmotors 10 erfolgen, wenn die Abgastemperatur ein ausreichendes Niveau erreicht hat. Hierzu wird dann kurzzeitig der Bypass 24 geöffnet, um den NOx-Speicherkatalysator 46 zu regenerieren.
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Eine Möglichkeit der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 46 ist eine vollständige Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 46, welche an einem Fettdurchbruch stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators 46 festgestellt werden kann. Alternativ kann die NOx-Regeneration unvollständig erfolgen, d.h. vor dem Fettdurchbruch abgebrochen werden. In diesem Fall werden nur oberflächliche Nitrate zersetzt, so dass nicht die vollständige, ursprüngliche NOx-Speicherfähigkeit wiederhergestellt wird, aber eine ausreichende Speicherfähigkeit, so dass die Stickoxidemissionen aus einem folgenden Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 adsorbiert werden können. Bevorzugt wird eine unvollständige Regeneration am Ende einer Fahrt kurz vor dem Abstellen des Verbrennungsmotors 10 ausgeführt.
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Ferner ist eine kombinierte NOx-Regeneration möglich, bei der am Ende der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors 10 mit geöffnetem Bypass 24 nur eine unvollständige Regeneration erfolgt, die dann im Fahrbetrieb durch eine oder mehrere weitere Teilregeneration bei ausreichend hoher Abgastemperatur ergänzt wird. Hierfür wird der Bypass 24 kurzzeitig wieder geöffnet und eine Anfettung des motorischen Abgases eingeleitet.
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Befindet sich in der Abgasanlage 20 stromabwärts der Turbine 28 des Abgasturboladers 26 ein weiterer NOx-Speicherkatalysator 32, so erfolgt eine Regeneration des Bypass-Katalysators 40 und des weiteren NOx-Speicherkatalysators 32 idealerweise in einer zusammenhängenden Fettphase des Verbrennungsmotors 10, sofern die Temperaturen der beiden Katalysatoren 32, 40 mindestens 220 °C betragen und der NOx-Füllstand mindestens bei 40%, vorzugsweise > 60 % liegt.
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Bei einem dauerhaften Niedriglastbetrieb kann es vorkommen, dass sich nur der Bypass-Katalysator 40 im aktiven Temperaturbereich befindet. In diesem Fall ist nur dieser zu regenerieren. Der Bypass 24 ist dafür vollständig geöffnet. Für eine vollständige Regeneration wird die Fettphase des Verbrennungsmotors 10 nach einem Reduktionsmitteldurchbruch beendet, der am NOx-Sensor 56 stromabwärts des Bypass-Katalysators 40 detektiert werden kann.
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Durch die geringe Betriebsdauer, also durch die Verwendung des Bypass-Katalysators 40 ausschließlich in den ersten Betriebsminuten nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10, wird der NOx-Speicherkatalysator 46 nur sehr langsam durch Schwefeleinlagerung in seiner Wirksamkeit abgeschwächt. Sollte dennoch eine Entschwefelung des NOx-Speicherkatalysators 46 erforderlich sein, kann die Entschwefelung im Rahmen einer Werkstattentschwefelung erfolgen. Dabei wird ein konstanter Lastpunkt eingestellt und der Verbrennungsmotor 10 mit einem unterstöchiometrischen (= fetten) Verbrennungsluftverhältnis λ < 1 betrieben. Dabei wird die Abgastemperatur stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators auf ca. 600 - 650°C erhöht und es erfolgt ein Mager-Fett-Wechsel des Abgases zur Vermeidung von H2S-Durchbrüchen. Die Temperaturbelastung des NOx-Speicherkatalysator 46 erfolgt in diesem Fall sehr kontrolliert und geht mit einer moderaten thermischen Belastung des NOx-Speicherkatalysators 46 einher. Somit kann eine vorzeitige Alterung des NOx-Speicherkatalysators 46 verhindert werden. Die Entschwefelung kann alternativ auch im Fahrbetrieb erfolgen.
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Für die Entschwefelung des NOx-Speicherkatalysators 46 kann das Schaltelement 38, insbesondere ein Schieberventil 52, auf eine mittlere Position gesetzt werden, so dass gleichzeitig die Entschwefelung des NOx-Speicherkatalysators 46 im Bypass 24 als auch des NOx-Speicherkatalysators 32 im Abgaskanal 22 stromabwärts der Turbine 28 erfolgt. Nach einer ausreichenden Entschwefelung des NOx-Speicherkatalysators 46 kann ein vollständiges Schließen des Bypasses 24 durch das Schaltelement 38 erfolgen, sodass der komplette Abgasstrom durch den Hauptkanal der Abgasanlage 20 geleitet wird, da eine Entschwefelung des NOx-Speicherkatalysators 32 im Abgaskanal 22 aufgrund der thermischen Masse des Abgasturboladers 26 und des Abgasrohres sowie der Größe des NOx-Speicherkatalysators 32 länger dauert. Alternativ kann das Schaltelement 38 den Bypass 24 für die Entschwefelung des NOx-Speicherkatalysators 46 vollständig öffnen. Nach Abschluss der Entschwefelung des NOx-Speicherkatalysators 46 im Bypass 24 kann der Bypass 24 deaktiviert werden und der NOx-Speicherkatalysator 32 im Abgaskanal 22 entschwefelt werden.
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Nach Abschluss der Entschwefelung sollte der Bypass 24 zumindest teilweise geöffnet werden, damit der NOx-Speicherkatalysator 46 relativ schnell wieder abkühlen kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Bypass-Katalysator 40 als passiver NOx-Adsorber 48 ausgeführt. Der passive NOx-Adsorber 48 adsorbiert Stickoxide in einem Temperaturbereich von 80 - 200°C. Bei einer Erwärmung werden diese Stickoxide desorbiert. Passive NOx-Adsorber 48 werden bei einer längeren Fettphase, insbesondere bei einer motorischen Fettphase von mehr als zwei bis drei Sekunden, irreversibel geschädigt, weshalb sie vor motorischen Anfettungen geschützt werden müssen.
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Bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 wird der Bypass 24 geöffnet. Übersteigt die Temperatur stromaufwärts des passiven NOx-Adsorbers 48 eine Temperaturschwelle von beispielsweise 170°C, wird der Bypass 24 deaktiviert. Sobald die Abgasnachbehandlungskomponenten 30, 32, 34, 36 des Hauptabgaspfades vollständig aktiviert sind, kann der Bypass 24 geöffnet werden, damit die im passiven NOx-Adsorber 48 eingespeicherten Stickoxide zügig desorbieren und in der Abgasanlage 20 umgesetzt werden können. Anders als ein NOx-Speicherkatalysator 46, dessen Regeneration aufgrund der erforderlichen motorischen Anfettung mit einem Kraftstoffmehrverbrauch verbunden ist, wird ein passiver NOx-Adsorber 48 möglichst schnell nach jedem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 regeneriert, damit die volle Speicherkapazität des passiven NOx-Adsorbers 48 für einen folgenden Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 zur Verfügung steht.
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Das Volumen des passiven NOx-Adsorbers 48 ist so auszulegen, dass die Stickoxidemissionen von ein bis fünf Kaltstarts, in einer bevorzugten Auslegung ein bis zwei Kaltstarts, gespeichert werden können. Ein kleineres Volumen hat Packagevorteile und eine geringere thermische Masse, ein größeres Volumen geht mit einer größeren NOx-Speicherkapazität einher, was Sicherheit bezüglich längerer Betriebsweise in Niedrigstlastbetrieb und häufigem Zuschalten des Verbrennungsmotors 10 bei Hybridkonzepten bietet.
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Ist der passive NOx-Adsorber 48 aktiv, ist es im unteren Aktivitätsbereich (80 - 120°C ) gewünscht, das Abgastemperaturniveau zu halten. In diesem Fall wird der Bypass 24 in Leerlaufphasen, die mit geringen NOx-Emissionen einhergehen, geschlossen, um ein Auskühlen des passiven NOx-Adsorbers 48 zu vermeiden. Bei einer Katalysatortemperatur des passiven NOx-Adsorbers 48 nahe der oberen Aktivitätsgrenze ist hingegen eine Abkühlung durch eine Leerlaufphase gewünscht, weshalb in diesem Fall der Bypass 24 geöffnet bleibt.
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Bei längerem Niedriglastbetrieb, in denen die Abgasanlage 20 nicht ausreichend aufgeheizt wird, kann es erforderlich sein, den passiven NOx-Adsorber 48 länger zu betreiben. In diesem Fall muss der passive NOx-Adsorber 48 zwischendurch regeneriert werden. Dazu wird der Bypass 24 kurzzeitig geschlossen, die Temperatur in der Abgasanlage 20 durch motorische Heizmaßnahmen angehoben und der Bypass 24 wieder geöffnet. Dabei wird der passive NOx-Adsorber 48 thermisch regeneriert. Durch die Heizmaßnahme können die vom passiven NOx-Adsorber 48 freigesetzten Stickoxide durch die weiteren Abgasnachbehandlungskomponenten 36 in der Abgasanlage 20 umgesetzt werden. Alternativ zu der motorischen Heizmaßnahme kann eine elektrische Heizmaßnahme genutzt werden, wobei ein elektrisch beheizbarer Katalysator in dem Abgaskanal 22 angeordnet ist.
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Eine Entschwefelung erfolgt bei Temperaturen oberhalb von 700°C in sauerstoffreicher Atmosphäre. Die Entschwefelung kann im Rahmen einer Werkstattentschwefelung oder im Fahrbetrieb erfolgen. Der Bypass 24 wird für die Entschwefelung geöffnet und sollte nach Abschluss der Entschwefelung zumindest teilweise geöffnet bleiben, damit der passive NOx-Adsorber 48 relativ schnell wieder abkühlen kann.
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Die Lambdasonde 58 stromaufwärts des passiven NOx-Adsorbers 48 wird genutzt um Fettphasen zu erkennen, die durch den Motorbetrieb des Verbrennungsmotors 10 hervorgerufen werden, beispielsweise durch Anfettung bei starken Beschleunigungen eines Kraftfahrzeuges. In diesem Fall sollte der Bypass 24 sofort deaktiviert werden, um den passiven NOx-Adsorber 48 vor einer irreversiblen Schädigung zu schützen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Brennraum
- 14
- Kraftstoffinjektor
- 16
- Einlass
- 18
- Auslass
- 20
- Abgasanlage
- 22
- Abgaskanal
- 24
- Bypass
- 26
- Abgasturbolader
- 28
- Turbine
- 30
- motornaher erster Katalysator
- 32
- NOx-Speicherkatalysator
- 34
- Oxidationskatalysator
- 36
- weitere Abgasnachbehandlungskomponente
- 38
- Schaltelement
- 40
- schaltbarer Bypass-Katalysator
- 42
- Verzweigung
- 44
- Preturbokatalysator
- 46
- NOx-Speicherkatalysator
- 48
- passiver NOx-Adsorber
- 50
- Klappenventil
- 52
- Schieberventil
- 54
- Einmündung
- 56
- NOx-Sensor
- 58
- Lambdasonde
- 60
- Steuergerät
- 62
- Hochdruck-Abgasrückführung
- 64
- Abgasrückführungskanal
- 66
- Abgasrückführungsventil
