DE102020105330A1

DE102020105330A1 - Abgasnachbehandlungssystem sowie Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102020105330A1
Application number: DE102020105330.4A
Authority: DE
Inventors: Onur Ulas Car; Markus Paulovsky
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-02-28
Filing date: 2020-02-28
Publication date: 2021-09-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor (10). Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst eine Abgasanlage (20) mit einem Abgaskanal (22), in welchem in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors (10) eine Turbine (26) eines Abgasturboladers (24), stromabwärts der Turbine (26) ein erster Drei-Wege-Katalysator (28), stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators (28) ein zweiter Drei-Wege-Katalysator (30) und weiter stromabwärts ein Partikelfilter (32) angeordnet sind.Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors 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 kommt dem Zeitraum unmittelbar nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors eine besondere Bedeutung hinsichtlich der Emissionen zu, da in dieser Phase die Abgasnachbehandlungskomponenten möglichst schnell auf ihre Betriebstemperatur aufgeheizt werden sollen, um eine effiziente Abgasnachbehandlung zu ermöglichen. Bei Ottomotoren ist insbesondere das Aufheizen eines motornahen Drei-Wege-Katalysators maßgeblich für die Emissionen eines Kraftfahrzeuges.
Mit Einführung der Gesetzgebungsstufe EU6 wird für Ottomotoren ein Grenzwert für eine Partikelanzahl vorgeschrieben, der in vielen Fällen den Einsatz eines Ottopartikelfilters notwendig macht. Im Fahrbetrieb wird ein solcher Ottopartikelfilter mit Ruß beladen. Damit der Abgasgegendruck nicht zu stark ansteigt, muss dieser Ottopartikelfilter kontinuierlich oder periodisch regeneriert werden. Der Anstieg des Abgasgegendrucks kann zu einem Mehrverbrauch des Verbrennungsmotors, Leistungsverlust und einer Beeinträchtigung der Laufruhe bis hin zu Zündaussetzern führen. Um eine thermische Oxidation des im Ottopartikelfilter zurückgehaltenen Rußes mit Sauerstoff durchzuführen, ist ein hinreichend hohes Temperaturniveau in Verbindung mit gleichzeitig vorhandenem Sauerstoff in der Abgasanlage des Ottomotors notwendig. Da moderne Ottomotoren normalerweise ohne Sauerstoffüberschuss mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (A=1) betrieben werden, sind dazu zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Dazu kommen als Maßnahmen beispielsweise eine Temperaturerhöhung durch eine Zündwinkelverstellung, eine zeitweise Magerverstellung des Ottomotors, das Einblasen von Sekundärluft in die Abgasanlage oder eine Kombination dieser Maßnahmen infrage. Bevorzugt wird bislang eine Zündwinkelverstellung in Richtung spät in Kombination mit einer Magerverstellung des Ottomotors angewandt, da dieses Verfahren ohne zusätzliche Bauteile auskommt und in den meisten Betriebspunkten des Ottomotors eine ausreichende Sauerstoffmenge liefern kann.
Es treten bei einem Ottopartikelfilter aber auch Beladungszustände auf, in denen eine unkontrollierte Durchströmung des Ottopartikelfilters mit Sauerstoff nicht erwünscht ist. Erreicht das Beladungsniveau des Ottopartikelfilters ein kritisches Maß, kann beispielsweise eine Schubphase des Verbrennungsmotors zusammen mit einer hohen Temperatur des Ottopartikelfilters zu einem unkontrollierten Rußabbrand auf dem Ottopartikelfilter führen. Dabei können durch die exotherme Oxidation der Rußpartikel so hohe Temperaturen auf der Bauteiloberfläche des Ottopartikelfilters entstehen, dass es zu thermischen Schädigungen des Ottopartikelfilters kommen kann. Daher kann es erforderlich sein, in bestimmten Betriebssituationen den Sauerstoffeintrag in den Ottopartikelfilter zu reduzieren oder gänzlich zu unterbinden.
Ferner sind aus dem Stand der Technik sogenannte Vier-Wege-Katalysatoren bekannt, welche die Funktion eines Partikelfilters mit der Funktion eines Drei-Wege-Katalysators verbinden. Dazu ist auf eine Partikelfilter eine katalytisch wirksame Beschichtung aufgebracht, welche die Funktionalität eines Drei-Wege-Katalysators hat.
Als eine Herausforderung hat sich die Positionierung von Katalysatoren und Partikelfiltern in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors herausgestellt. Eine motornahe Anordnung begünstigt das Aufheizen der entsprechenden Abgasnachbehandlungskomponente nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors, kann bei einer katalytischen Beschichtung jedoch dazu führen, dass diese aufgrund hoher Abgastemperaturen bei einem Hochlastbetrieb des Verbrennungsmotors vorzeitig altert, sodass die katalytische Wirkung abnimmt. Die Anordnung einer Abgasnachbehandlungskomponente in einer Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges führt dazu, dass insbesondere bei einem Schwachlastbetrieb die Abgastemperaturen möglicherweise nicht ausreichen, um die Betriebstemperatur der Abgasnachbehandlungskomponente zu erreichen. Insbesondere die Anordnung eines Partikelfilters in Unterbodenlage erfordert dann zusätzliche Heizmaßnahmen, da zur Regeneration des Partikelfilters eine Abgastemperatur von mindestens 600°C notwendig ist, um die im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußpartikel zu oxidieren.
Aus der DE 101 30 047 B4 ist ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor bekannt, welches einen motornahen Vorkatalysator und einen stromabwärts des motornahen Vorkatalysators angeordneten Hauptkatalysator umfasst, wobei der Hauptkatalysator seinerseits einen metallischen Trägerkörper und einen in Strömungsrichtung dem metallischen Trägerkörper nachgeschalteten keramischen Trägerkörper umfasst, wobei der metallische Trägerkörper eine katalytische Beschichtung mit einem höheren Edelgehalt als der keramische Trägerkörper aufweist.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor vorzuschalten, welches sich durch ein schnelles Aufheizverhalten und gleichzeitig eine hohe Abgasreinigungswirkung auszeichnet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor gelöst. Dabei umfasst das Abgasnachbehandlungssystem eine Abgasanlage, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors eine Turbine eines Abgasturboladers, stromabwärts der Turbine ein motornaher erster Drei-Wege-Katalysator und stromabwärts des motornahen ersten Drei-Wege-Katalysators ein motornaher Partikelfilter angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators und stromaufwärts des Partikelfilters ein motornaher zweiter Drei-Wege-Katalysator angeordnet ist. Unter einer motornahen Position ist in diesem Zusammenhang eine Position in der Abgasanlage mit einer Abgaslauflänge von weniger als 800 mm, vorzugsweise von weniger als 500 mm zwischen dem Auslass des Verbrennungsmotors und einem Einlass der jeweiligen Abgasnachbehandlungskomponente zu verstehen. Vorzugsweise sind die beiden Drei-Wege-Katalysatoren und der Partikelfilter gemeinsam mit dem Verbrennungsmotor in einem Motorraum eines Kraftfahrzeuges angeordnet. Durch die Aufteilung des Katalysatorvolumens eines motornahen Drei-Wege-Katalysators auf einen ersten Drei-Wege-Katalysator und einen zweiten Drei-Wege-Katalysator kann das Aufheizen des ersten Drei-Wege-Katalysators unmittelbar nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors beschleunigt werden. Da der erste Drei-Wege-Katalysator ein vergleichsweise geringes Volumen und damit verbunden eine vergleichsweise geringe Masse aufweist, erwärmt sich dieser erste Drei-Wege-Katalysator schneller als die aus dem Stand der Technik bekannten Drei-Wege-Katalysatoren, wobei die Konvertierungsleistung durch das zusätzliche Volumen des zweiten Drei-Wege-Katalysators erhalten bleibt oder gesteigert werden kann. Durch die geringe thermische Masse und das schnelle Aufheizen des ersten Drei-Wege-Katalysators erreicht dieser zeitnah nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors seine Light-Off-Temperatur, sodass die Kaltstartemissionen weiter verringert werden können.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und nicht triviale Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Abgasnachbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor möglich.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Drei-Wege-Katalysator ein größeres Volumen als der erste Drei-Wege-Katalysator aufweist. Somit kann die thermische Masse des ersten Drei-Wege-Katalysators weiter verringert werden. Dadurch kann das Aufheizen des ersten Drei-Wege-Katalysators weiter beschleunigt werden, wodurch dieser seine Light-Off-Temperatur früher erreicht und die Kaltstartemissionen weiter minimieren kann.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn von dem gesamten katalytisch wirksamen Volumen der beiden Drei-Wege-Katalysatoren mindestens 60%, vorzugsweise 66%, besonders bevorzugt mindestens 70% auf den zweiten Drei-Wege-Katalysator entfallen. Durch eine Verteilung des Katalysatorvolumens zwischen dem ersten Drei-Wege-Katalysator und dem zweiten Drei-Wege-Katalysator im Verhältnis 40:60, vorzugsweise 1/3 zu 2/3, besonders bevorzugt von 30 % zu 70 % kann das Aufheizen des ersten Drei-Wege-Katalysators weiter beschleunigt werden. Da der Verbrennungsmotor unmittelbar nach dem Kaltstart in der Regel nur mit geringer Last betrieben wird, reicht in diesem Betriebszustand ein vergleichsweise geringes Katalysatorvolumen des ersten Drei-Wege-Katalysators aus, um die Schadstoffe im Abgasstrom des Verbrennungsmotors effizient in unlimitierte Abgaskomponenten zu konvertieren. Dabei fördert die exotherme Umsetzung der Schadstoffe, insbesondere die exotherme Umsetzung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen durch den ersten Drei-Wege-Katalysator das Aufheizen der stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators gelegenen Abgasnachbehandlungskomponenten. Hat der zweite Drei-Wege-Katalysator ebenfalls seine Light-Off-Temperatur erreicht, so steht im weiteren Betrieb das Katalysatorvolumen beider Drei-Wege-Katalysatoren zur Verfügung, wodurch auch bei Hochlast- oder Volllastbetrieb des Verbrennungsmotors ein hinreichendes Katalysatorvolumen zur effizienten Konvertierung der Schadstoffe zur Verfügung steht.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass stromabwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators und stromaufwärts des Partikelfilters ein Abgastrichter angeordnet ist, wobei an dem Abgastrichter eine Lambdasonde angeordnet ist. Durch die Anordnung der Lambdasonde in dem Abgastrichter zwischen dem zweiten Drei-Wege-Katalysator und dem Partikelfilter ist eine besonders exakte und zuverlässig wiederholbare Bestimmung des Sauerstoffgehalts im Abgasstrom des Verbrennungsmotors möglich.
Bevorzugt ist dabei, wenn stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers und stromaufwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators eine erste Lambdasonde und stromabwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators und stromaufwärts des Partikelfilters eine zweite Lambdasonde angeordnet ist. Dadurch ist eine einfache Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses in den Brennräumen des Verbrennungsmotors möglich. Dabei kann insbesondere die in die Brennräume eingespritzte Kraftstoffmenge an die Luftmenge angepasst werden, wodurch eine besonders genaue Regelung möglich ist.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die erste Lambdasonde als Breitbandsonde und die zweite Lambdasonde als Sprungsonde ausgeführt sind. Durch eine Breitbandsonde kann der Sauerstoffgehalt im Abgas quantitativ ermittelt werden. Dadurch ist eine besonders genaue Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses in den Brennräumen des Verbrennungsmotors möglich. Durch eine Sprungsonde können Fett- oder Magerdurchbrüche durch den zweiten Drei-Wege-Katalysator erkannt werden. Dabei ist eine Sprungsonde kostengünstiger als eine Breitbandsonde, sodass die Kosten für das Abgasnachbehandlungssystem minimiert werden können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass in einem Abgaskanalsegment, welches den ersten Drei-Wege-Katalysator mit dem zweiten Drei-Wege-Katalysator verbindet, mindestens ein Umlenkelement angeordnet ist, welches eine Umlenkung des Abgasstroms um mindestens 80° verursacht. Durch eine Umlenkung des Abgasstroms um mindestens 80°, vorzugsweise um mindestens 120°, besonders bevorzugt um mindestens 150° ist es möglich, sowohl den ersten Drei-Wege-Katalysator als auch den zweiten Drei-Wege-Katalysator in der Nähe des Abgaskrümmers anzuordnen, wodurch die Wärmestrahlung des Abgaskrümmers zusätzlich genutzt werden kann, um die Drei-Wege-Katalysatoren auf ihre Betriebstemperatur aufzuheizen.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn in dem Abgaskanalsegment zwei Umlenkelemente vorgesehen sind, wobei die Summe der Biegungen der beiden Umlenkelemente mindestens 120°, vorzugsweise mindestens 150°, besonders bevorzugt mindestens 165° beträgt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass der erste Drei-Wege-Katalysator eine katalytische Beschichtung mit einer höheren Edelmetalldichte als der zweite Drei-Wege-Katalysator aufweist. Da der erste Drei-Wege-Katalysator thermisch stärker belastet ist als der zweite Drei-Wege-Katalysator, altert die katalytisch wirksame Beschichtung des ersten Drei-Wege-Katalysators schneller als die katalytisch wirksame Beschichtung des zweiten Drei-Wege-Katalysators. Um dieser Alterung zumindest teilweise entgegenzuwirken, ist es vorteilhaft, wenn der erste Drei-Wege-Katalysator eine katalytisch wirksame Beschichtung mit einer höheren Edelmetalldichte aufweist, sodass auch die katalytische Wirkung des ersten Drei-Wege-Katalysators über die Lebensdauer des Abgasnachbehandlungssystems sichergestellt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Drei-Wege-Katalysator einen keramischen Grundträger und der zweite Drei-Wege-Katalysator einen metallischen Grundträger aufweist. Metallkatalysatoren werden in der Regel für höhere Leistungsanforderungen eingesetzt und sind im Vergleich zu keramischen Katalysatoren hitzebeständiger. Da der erste Drei-Wege-Katalysator thermisch stärker belastet ist als der zweite Drei-Wege-Katalysator ist es daher vorteilhaft, den ersten Drei-Wege-Katalysator mit einem metallischen Grundträger auszuführen. Zudem erreichen metallische Grundträger aufgrund ihrer geringen Wandstärke schneller die Light-Off-Temperatur, was das Aufheizen des motornahen ersten Drei-Wege-Katalysators zusätzlich begünstigt. Durch die Verwendung unterschiedlicher Trägermaterialen können auf einfache Art und Weise unterschiedliche Wash-Coats zur katalytischen Beschichtung der Drei-Wege-Katalysatoren verwendet werden, um beispielsweise Zusatzfunktionen wie eine HC-Adsorber-Funktion oder eine NOx-Speicherfunktion in einen der beiden Drei-Wege-Katalysatoren zu integrieren. Alternativ kann auch der erste Drei-Wege-Katalysator einen keramischen Grundträger und der zweite Drei-Wege-Katalysator einen metallischen Grundträger aufweisen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass beide Drei-Wege-Katalysatoren einen metallischen Grundträger oder beide Drei-Wege-Katalysatoren einen keramischen Grundträger aufweisen. Durch die Verwendung einheitlicher Bauteile kann die Anzahl der verschiedenen Bauteile minimiert werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass zumindest einer der beiden Drei-Wege-Katalysatoren zusätzlich eine Beschichtung mit einer adsorbierenden Wirkung bezüglich unverbrannter Kohlenwasserstoffe aufweist. Durch eine Beschichtung mit einer adsorbierenden Wirkung bezüglich unverbrannter Kohlenwasserstoffe können diese in der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors in dem entsprechenden Drei-Wege-Katalysator eingespeichert werden, bis zumindest der erste Drei-Wege-Katalysator seine Light-Off-Temperatur erreicht hat und somit eine effektive Konvertierung der unverbrannten Kohlenwasserstoffe in Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf möglich ist.
Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers und stromaufwärts des Partikelfilters ein HC-Adsorber angeordnet ist. Durch einen separaten HC-Adsorber können ebenfalls in der Kaltstartphase unverbrannte Kohlenwasserstoffe eingespeichert werden, um die Emissionen in der Kaltstartphase zu minimieren
Alternativ ist vorgesehen, dass der HC-Adsorber stromabwärts des Auslasses und stromaufwärts der Turbine, vorzugsweise in einem schaltbaren Bypass angeordnet ist. Prinzipiell ist eine Anordnung eines HC-Adsorbers in dem im Volllastbetrieb des Verbrennungsmotors besonders heißen Abgaskanalsegment zwischen dem Auslass und der Turbine des Abgasturboladers eher ungünstig, da die hohe thermische Belastung zu einer irreversiblen Schädigung des HC-Adsorbers führen kann. Um diesen Nachteil auszugleichen, ist es vorteilhaft, den HC-Adsorber in einem schaltbaren Bypass anzuordnen, welcher ausschließlich für die Kaltstartphase des Verbrennungsmotors geöffnet wird, um den HC-Adsorber im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors aus dem Abgasstrom zu entkoppeln und somit die thermische Belastung für den HC-Adsorber zu minimieren.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass der Partikelfilter als unbeschichteter Ottopartikelfilter ausgeführt ist. Unbeschichtete Ottopartikelfilter können über die gesamte Lebensdauer effizient die Partikelemissionen eines direkteinspritzenden Ottomotors mindern. Durch den Entfall einer katalytisch wirksamen Beschichtung ist der Abgasgegendruck geringer als bei einem katalytisch beschichteten Partikelfilter, wodurch der Verbrauch des Verbrennungsmotors reduziert werden kann. Ferner kann ein Anstieg des Abgasgegendrucks durch die im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußpartikel minimiert werden, wodurch eine Regeneration des Partikelfilters seltener durchgeführt werden muss als bei einem katalytisch beschichteten Partikelfilter. Alternativ kann der Partikelfilter auch mit einer filtrationssteigernden Beschichtung, insbesondere mit einer Trockenbeschichtung ausgeführt sein, um die Filtrationsleistung zu verbessern.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass der Partikelfilter eine katalytisch wirksame Beschichtung aufweist und vorzugsweise als ein Vier-Wege-Katalysator ausgeführt ist. Durch eine katalytisch wirksame Beschichtung des Partikelfilters kann zusätzliches Katalysatorvolumen zur Verfügung gestellt werden. Dadurch können die beiden Drei-Wege-Katalysatoren kleiner ausgeführt werden, was das Aufheizen der Drei-Wege-Katalysatoren auf ihre jeweilige Light-Off-Temperatur begünstigt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem. Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Abgasnachbehandlung können die Kaltstartemissionen eines Verbrennungsmotors verringert werden, da der erste Drei-Wege-Katalysator zeitnah nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors seine Light-Off-Temperatur erreicht. Da der Verbrennungsmotor unmittelbar nach einem Kaltstart in der Regel nur mit geringer Last und begrenzter Drehzahl betrieben wird, genügt ein vergleichsweise geringes Katalysatorvolumen, um die Emissionen im Abgasstrom des Verbrennungsmotors in unlimitierte Abgaskomponenten zu konvertieren.
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 mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Es zeigen:

1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines schematisch dargestellten Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Abgasnach behand lungssystem;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor;
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor, welches zusätzlich einen HC-Adsorber umfasst.

1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 mit vier Brennräumen 12, welcher als fremdgezündeter Verbrennungsmotor 10 nach dem Ottoprinzip ausgeführt ist. An jedem Brennraum 12 ist ein Kraftstoffinjektor 14 vorgesehen, um Kraftstoff in den Brennraum 12 einzuspritzen. Ferner ist an jedem Brennraum 12 eine Zündkerze 16 angeordnet, um ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch in dem jeweiligen Brennraum 12 zu entzünden.
Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 20 verbunden. Die Abgasanlage 20 umfasst einen Abgaskanal 22, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 22 eine Turbine 26 eines Abgasturboladers 24 sowie stromabwärts der Turbine 26 ein motornaher erster Drei-Wege-Katalysator 28 angeordnet sind. Stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 28 ist ein ebenfalls motornaher zweiter Drei-Wege-Katalysator 30 angeordnet. Stromabwärts des motornahen zweiten Drei-Wege-Katalysators 30 ist ein motornaher Partikelfilter 32 angeordnet.
Der erste Drei-Wege-Katalysator 28 ist vorzugsweise als Drei-Wege-Katalysator mit einem metallischen Grundträger ausgeführt. Alternativ kann der ersten Drei-Wege-Katalysator 28 auch als Drei-Wege-Katalysator mit einem keramischen Grundträger ausgeführt sein. Der zweite Drei-Wege-Katalysator 30 ist vorzugsweise als Drei-Wege-Katalysator mit einem keramischen Grundträger ausgeführt. Alternativ kann der zweite Drei-Wege-Katalysator 30 auch als Drei-Wege-Katalysator mit einem metallischen Grundträger ausgeführt sein. Durch einen metallischen Grundträger kann der motornahe erste Drei-Wege-Katalysator 28 mit einer geringeren Zellwandstärke ausgeführt werden, was das Aufheizen des ersten Drei-Wege-Katalysators 28 nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 begünstigt. Zudem weisen Drei-Wege-Katalysatoren mit einem metallischen Grundträger eine höhere Temperaturstabilität und Dauerhaltbarkeit als Drei-Wege-Katalysatoren mit einem keramischen Grundträger auf. Drei-Wege-Katalysatoren mit einem keramischen Grundkörper können bei vergleichbarer Konvertierungsleistung kostengünstiger ausgeführt werden. Daher wird der thermisch weniger stark belastete zweite Drei-Wege-Katalysator 30 vorzugsweise als Drei-Wege-Katalysator mit einem keramischen Grundträger ausgeführt.
Der erste Drei-Wege-Katalysator 28 und der zweite Drei-Wege-Katalysator 30 sind durch ein Abgaskanalsegment 34 des Abgaskanals 22 miteinander verbunden. Stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators wird der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 an einem ersten Umlenkelement 36 um etwa 90° umgelenkt. Das Abgaskanalsegment 34 umfasst ein zweites Umlenkelement 38, an welchem der Abgasstrom vor Eintritt in den zweiten Drei-Wege-Katalysator 30 nochmals um etwa 90° umgelenkt wird, sodass der erste Drei-Wege-Katalysator 28 und der zweite Drei-Wege-Katalysator 30 im Wesentlichen in entgegengesetzter Richtung durchströmt werden. Stromabwärts der Turbine 26 des Abgasturboladers 24 und stromaufwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 28 ist an dem Abgaskanal 22 eine erste Lambdasonde 42 angeordnet, um ein Verbrennungsluftverhältnis in den Brennräumen 12 des Verbrennungsmotors 10 zu regeln.
Durch die Aufteilung der Drei-Wege-Funktion auf zwei verschiedene Katalysatoren 28, 30 kann das Volumen der einzelnen Katalysator 28, 30 verringert werden, ohne das Gesamtvolumen zu reduzieren. Dadurch wird nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 der in Strömungsrichtung des Abgasstroms zuerst durchströmte erste Drei-Wege-Katalysator 28 besonders schnell auf seine Light-Off-Temperatur aufgeheizt, sodass dieser erste Drei-Wege-Katalysator 28 wesentlich schneller als ein aus dem Stand der Technik bekannter Drei-Wege-Katalysator, welcher das Volumen des ersten und zweiten Drei-Wege-Katalysators in einem Bauteil vereint, eine effiziente Konvertierung der Schadstoffe im Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 ermöglicht.
Der Verbrennungsmotor 10 steht mit einem Steuergerät 50 in Wirkverbindung, welches die in die Brennräume 12 des Verbrennungsmotors 10 eingespritzte Kraftstoffmenge steuert und somit das Verbrennungsluftverhältnis in den Brennräumen 12 steuert. Das Steuergerät 50 ist mit der ersten Lambdasonde 42 verbunden, um den Sauerstoffgehalt im Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 zu erfassen und somit eine effiziente Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses in den Brennräumen 12 des Verbrennungsmotors 10 zu ermöglichen. Ferner wird durch das Steuergerät 50 der Zündzeitpunkt in den Brennräumen 12 gesteuert.
In 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Abgasnachbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor 10 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie in 1 ausgeführt wird im Nachfolgenden auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen eingegangen. Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst eine Abgasanlage 20, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors 10 durch einen Abgaskanal 22 der Abgasanlage 20 ein motornaher erster Drei-Wege-Katalysator 28 angeordnet ist. Stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 28 ist ein ebenfalls motornaher zweiter Drei-Wege-Katalysator 30 angeordnet. Stromabwärts des motornahen zweiten Drei-Wege-Katalysators 30 ist ein motornaher Partikelfilter 32 angeordnet.
Der erste Drei-Wege-Katalysator 28 und der zweite Drei-Wege-Katalysator 30 sind durch ein Abgaskanalsegment 34 des Abgaskanals 22 miteinander verbunden. Stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 28 wird der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 an einem ersten Umlenkelement 36 um etwa 90° umgelenkt. Das Abgaskanalsegment 34 umfasst ein zweites Umlenkelement 38, an welchem der Abgasstrom vor Eintritt in den zweiten Drei-Wege-Katalysator 30 nochmals um etwa 90° umgelenkt wird, sodass der erste Drei-Wege-Katalysator 28 und der zweite Drei-Wege-Katalysator 30 im Wesentlichen in entgegengesetzter Richtung durchströmt werden. Stromabwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators 30 und stromaufwärts des Partikelfilters 32 ist ein Abgastrichter 40 ausgebildet, an welchem eine zweite Lambdasonde 46 angeordnet ist. Der erste Drei-Wege-Katalysator 28 umfasst zusätzlich eine Beschichtung 48 mit einer adsorbierenden Wirkung bezüglich unverbrannter Kohlenwasserstoffe, sodass die Kohlenwasserstoffemissionen im Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 in dem ersten Drei-Wege-Katalysator 28 eingelagert werden können, bis dieser seine Light-Off-Temperatur erreicht hat und die unverbrannten Kohlenwasserstoffe zu Kohlenstoffdioxid und Wasser konvertieren kann. Alternativ oder zusätzlich kann auch der zweite Drei-Wege-Katalysator 30 mit einer Beschichtung 48 mit einer adsorbierenden Wirkung bezüglich unverbrannter Kohlenwasserstoffe ausgeführt werden.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor 10 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 2 ausgeführt, ist in diesem Ausführungsbeispiel stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 28 und stromaufwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators 30 ein HC-Adsorber 44 in dem Abgaskanalsegment 34 angeordnet. Alternativ kann der HC-Adsorber jedoch auch stromabwärts der Turbine 26 des Abgasturboladers 24 und stromaufwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 28 oder stromabwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators 30 und stromaufwärts des Partikelfilters 32 angeordnet sein.
In einer weiteren Ausgestaltung das Abgasnachbehandlungssystems ist es möglich, dass ein HC-Adsorber 44 stromabwärts des Auslasses 18 des Verbrennungsmotors 10 und stromaufwärts der Turbine 26 des Abgasturboladers 24 angeordnet ist. Bevorzugt ist dabei, dass der Abgaskanal 22 in dem Abgaskanalsegment zwischen dem Auslass 18 und der Turbine 26 des Abgasturboladers 24 einen schaltbaren Bypass aufweist, welcher vorzugsweise in der Phase nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 geöffnet und im Normalbetrieb, also wenn sämtliche Abgasnachbehandlungskomponenten 28, 30, 32 ihre Betriebstemperatur erreicht haben, geschlossen wird, um den HC-Adsorber 44 vor dauerhaften, hohen Abgastemperaturen zu schützen und somit eine vorzeitige Alterung oder thermische Schädigung des HC-Adsorbers 44 zu vermeiden.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Brennraum
14: Kraftstoffinjektor
16: Zündkerze
18: Auslass
20: Abgasanlage
22: Abgaskanal
24: Abgasturbolader
26: Turbine
28: erster Drei-Wege-Katalysator
30: zweiter Drei-Wege-Katalysator
32: Partikelfilter
34: Abgaskanalsegment
36: erstes Umlenkelement
38: zweites Umlenkelement
40: Abgastrichter
42: Lambdasonde
44: HC-Adsorber
50: Motorsteuergerät

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10130047 B4 [0007]

Claims

Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor (10), umfassend eine Abgasanlage (20) mit einem Abgaskanal (22), in welchem in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors (10) durch den Abgaskanal (22) eine Turbine (26) eines Abgasturboladers (24), stromabwärts der Turbine (26) ein motornaher erster Drei-Wege-Katalysator (28) und stromabwärts des motornahen ersten Drei-Wege-Katalysators (28) ein motornaher Partikelfilter (32) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators (28) und stromaufwärts des Partikelfilters (32) ein zweiter Drei-Wege-Katalysator (30) angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Drei-Wege-Katalysator (30) ein größeres Volumen als der erste Drei-Wege-Katalysator (28) aufweist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass von dem gesamten katalytisch wirksamen Volumen der beiden Drei-Wege-Katalysatoren (28, 30) mindestens 60% auf den zweiten Drei-Wege-Katalysator (30) entfallen.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators (30) und stromaufwärts des Partikelfilters (32) ein Abgastrichter (40) angeordnet ist, wobei an dem Abgastrichter (40) eine Lambdasonde (46) angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Turbine (26) des Abgasturboladers (24) und stromaufwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators (28) eine erste Lambdasonde (42) und stromabwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators (30) und stromaufwärts des Partikelfilters (32) eine zweite Lambdasonde (46) angeordnet sind.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lambdasonde (42) als Breitbandsonde und die zweite Lambdasonde (46) als Sprungsonde ausgeführt sind.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Abgaskanalsegment (34), welches den ersten Drei-Wege-Katalysators (28) und den zweiten Drei-Wege-Katalysator (30) verbindet, mindestens ein Umlenkelement (36, 38) angeordnet ist, welches eine Umlenkung des Abgasstroms um mindestens 80° verursacht.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abgaskanalsegment (34) zwei Umlenkelemente (36, 38) vorgesehen sind, wobei die Summe der Biegungen der beiden Umlenkelemente (36, 38) mindestens 120° entspricht.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Drei-Wege-Katalysator (28) eine katalytische Beschichtung mit einer höheren Edelmetalldichte als der zweite Drei-Wege-Katalysator (30) aufweist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Drei-Wege-Katalysator (28) einen keramischen Grundträger und der zweite Drei-Wege-Katalysator (30) einen metallischen Grundträger aufweist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass beide Drei-Wege-Katalysatoren (28, 30) einen metallischen Grundträger oder beide Drei-Wege-Katalysatoren (28, 30) einen keramischen Grundträger aufweisen.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der beiden Drei-Wege-Katalysatoren (28, 30) zusätzlich eine Beschichtung (48) mit einer adsorbierenden Wirkung bezüglich unverbrannter Kohlenwasserstoffe aufweist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Turbine (26) des Abgasturboladers (28) und stromaufwärts des Partikelfilters (32) ein HC-Adsorber (44) angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (32) als unbeschichteter Ottopartikelfilter oder als Ottopartikelfilter mit filtrationssteigernden Beschichtung ausgeführt ist.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) mit einem Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14.