-
Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
-
Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellen hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Dabei stellen die Forderungen nach einem weiter sinkenden Verbrauch und die weitere Verschärfung der Abgasnormen hinsichtlich der zulässigen Stickoxidemissionen Herausforderungen für die Motorenentwickler dar. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Art und 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, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren aufweisen. Als Reduktionsmittel 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 sich im Allgemeinen aus 32,5 % Harnstoff und 67,5 % Wasser zusammen.
-
Ferner ist bekannt, in einem Abgasnachbehandlungssystem einen passiven NOx-Adsorber vorzusehen, welcher die im Abgasstrom enthaltenen Stickoxide in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors zwischenspeichert, bis ein NOx-Speicherkatalysator oder ein SCR-Katalysator ihre Betriebstemperatur erreicht haben. In der Kaltstartphase des Abgasnachbehandlungssystems strömen die Abgase des Verbrennungsmotors nahezu unkonvertiert durch die Abgasanlage und werden in die Umwelt emittiert. Diese Kaltstartemissionen machen bei einem Dieselmotor einen wesentlichen Anteil an den Gesamtemissionen aus.
-
Jede Vorrichtung zur katalytischen Abgasreinigung benötigt zum Erreichen einer Wirksamkeit das Überschreiten einer Mindesttemperatur, der sogenannten Light-off-Temperatur. Bei einem Kaltstart eines Kraftfahrzeugs liegen der Verbrennungsmotor und die Komponenten zur Abgasnachbehandlung im Temperaturniveau etwa auf Umgebungstemperatur. Auch mit einem hohen Energieeintrag in die Abgasanlage müssen zunächst die thermisch träge Masse der Abgasanlage überwunden und die Strahlungs- beziehungsweise Konvektionsverluste kompensiert werden, um zumindest eine Teilwirksamkeit der Abgasnachbehandlungskomponenten zu erreichen. In dieser Zeit werden die Rohemissionen des Verbrennungsmotors weitgehend ungereinigt emittiert. Abhängig vom Energieeintrag in die Abgasanlage kann dieser Zeitraum verkürzt werden, jedoch niemals auf Null abgesenkt werden.
-
Beim Dieselmotor ist bekannt, einem SCR-Abgasreinigungssystem einen NOx-Speicherkatalysator vorzuschalten, der bereits im Bereich 120°C - 200°C eine gute Konvertierungsleistung erbringt, während der SCR-Katalysator erst ab ca. 180°C eine Konvertierung von Stickoxid-Emissionen ermöglicht. Die Abgasnachbehandlungskomponenten können einzeln oder insgesamt während ihrer Aufheizphase, insbesondere bis zur jeweiligen Light-off-Temperatur durch elektrische Heizelemente oder thermische Abgasbrenner unterstützt werden.
-
Die WO 2018 / 057 170 A1 offenbart ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasanlage, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms durch die Abgasanlage ein erster passiver NOx-Adsorber, stromabwärts des ersten passiven NOx-Adsorbers ein Diesel-Oxidationskatalysator, stromabwärts des DieselOxidationskatalysators ein Abgasnachbehandlungsmodul mit einem Dieselpartikelfilter und einem stromabwärts des Dieselpartikelfilters angeordneten SCR-Katalysator vorgesehen sind, wobei stromaufwärts des Dieselpartikelfilters und/oder stromabwärts des SCR-Katalysators ein weiterer passiver NOx-Adsorber angeordnet ist.
-
Aus der US 2013 / 0 111 886 ist ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor bekannt, bei dem in Strömungsrichtung eines Abgasstroms durch die Abgasanlage ein erster Oxidationskatalysator, stromabwärts des ersten Oxidationskatalysators ein erster SCR-Katalysator stromabwärts des ersten SCR-Katalysators ein elektrisch beheizbarer Katalysator, weiter stromabwärts ein zweiter Oxidationskatalysator, noch weiter stromabwärts ein zweiter SCR-Katalysator und abschließend ein Partikelfilter angeordnet sind. Dabei weisen die beiden Oxidationskatalysatoren jeweils eine NOx-Adsorberfähigkeit auf und können auch als passive NOx-Adsorber ausgebildet sein.
-
Die
DE 10 2018 009 233 A1 offenbart ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasanlage, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors ein Dieseloxidationskatalysator, stromabwärts des Dieseloxidationskatalysators ein erster SCR-Katalysator, stromabwärts des ersten SCR-Katalysators ein Dieselpartikelfilter, stromabwärts des Partikelfilters ein passiver NOx-Adsorber, stromabwärts des passiven NOx-Adsorbers ein zweiter SCR-Katalysators und anschließend an den zweiten SCR-Katalysator ein Ammoniak-Sperrkatalysator angeordnet sind.
-
Ferner ist aus der
DE 10 2018 129 683 A1 ein Abgasnachbehandlungssystem mit einer Abgasleitung, in welcher in Strömungsrichtung ein passiver NOx-Adsorber mit nachgeschaltetem elektrischen Heizelement, stromabwärts des passiven NOx-Adsorbers ein Injektor zur Eindosierung eines Reduktionsmittels, stromabwärts des Injektors ein Abgasmischer und weiter stromabwärts ein SCR-Katalysator angeordnet sind, bekannt. Dabei ist das elektrische Heizelement derart ausgestaltet, dass es den SCR-Katalysator auf seine Betriebstemperatur aufheizen kann, bevor die im passiven NOx-Adsorber eingelagerten Stickoxide wieder freigesetzt werden.
-
Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist, dass Sie die Kaltstartemissionen nicht auf einen extrem niedrigen Restwert reduzieren können oder eine entsprechende Startverzögerung benötigen, damit das Abgasnachbehandlungssystem ab dem Start des Verbrennungsmotors eine effiziente Konvertierung der Schadstoffe gewährleisten kann.
-
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Kaltstartemissionen eines Verbrennungsmotors weiter zu verringern und die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, umfassend eine Abgasanlage mit einem Abgaskanal, in welchem ein motornaher erste passiver NOx-Adsorber, stromabwärts des motornahen ersten passiven NOx-Adsorbers eine erste NOx-reduzierende Abgasreinigungsvorrichtung, insbesondere ein motornaher Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung, und stromabwärts der ersten NOx-reduzierenden Abgasreinigungsvorrichtung eine zweite NOx-reduzierende Abgasreinigungsvorrichtung, insbesondere ein SCR-Katalysator, angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass stromabwärts der ersten NOx-reduzierenden Abgasreinigungsvorrichtung und stromaufwärts der zweiten NOx-reduzierenden Abgasreinigungsvorrichtung eine NOx-Speichereinheit mit einem zweiten passiven NOx-Adsorber angeordnet ist, wobei dem ersten passiven NOx-Adsorber ein erstes elektrisches Heizelement nachgeschaltet ist und wobei der NOx-Speichereinheit mindestens ein weiteres vor- oder nachgeschaltetes elektrisches Heizelement zugeordnet ist. Unter einer motornahe Position ist in diesem Zusammenhang eine Position in der Abgasanlage mit einer Abgaslauflänge von weniger als 80 cm, vorzugsweise von weniger als 50 cm, ab dem Auslass des Verbrennungsmotors zu verstehen. Durch eine erfindungsgemäße Abgasnachbehandlung können insbesondere die Kaltstartemission eines Verbrennungsmotors weiter verringert werden. Dabei kann durch den zweiten passiven NOx-Adsorber in Kombination mit dem motornahen ersten elektrischen Heizelement bereits unmittelbar nach dem Kaltstart des Verbrennungsmotors ein Einspeichern der Stickoxidemissionen erfolgen. Durch die elektrischen Heizelemente wird sichergestellt, dass bevor die Stickoxide aus den passiven NOx-Adsorbern desorbieren können, die stromabwärts der passiven NOx-Adsorber angeordneten NOx-reduzierenden Abgasreinigungsvorrichtungen, insbesondere die SCR-Katalysatoren, ihre Betriebstemperatur, insbesondere eine Temperatur von mindestens 180°C, vorzugsweise von mindestens 200°C, erreicht haben. Dadurch kann verhindert werden, dass unmittelbar nach dem Kaltstart des Verbrennungsmotors größere Mengen an Stickoxiden unkonvertiert in die Umwelt emittiert werden.
-
Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Merkmale sind vorteilhafte Weiterentwicklungen und nicht triviale Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Abgasnachbehandlungssystems möglich.
-
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die NOx-Speichereinheit einen Hauptkanal und einen Bypass aufweist, wobei der zweite passive NOx-Adsorber in dem Bypass angeordnet ist. Dadurch kann der Abgasgegendruck reduziert werden, da der Abgasstrom im Normalbetrieb nicht durch den zweiten passiven NOx-Adsorber geführt wird. Unter einem Normalbetrieb ist in diesem Zusammenhang ein Betrieb des Abgasnachbehandlungssystems zu verstehen, bei dem sämtliche Abgasnachbehandlungskomponenten ihre Betriebstemperatur erreicht haben.
-
Besonders bevorzugt ist dabei, dass der Bypass als Ringkatalysator ausgebildet ist, welcher den Hauptkanal ummantelt. Dadurch ist eine besonders kompakte Bauweise der NOx-Speichereinheit möglich. Zudem kann der Abgasstrom durch den Hauptkanal genutzt werden, um eine thermische Desorption von in dem Ringkatalysator eingespeichert Stickoxiden zu unterstützen.
-
In einer weiteren Verbesserung des Abgasnachbehandlungssystem ist vorgesehen, dass an der NOx-Speichereinheit ein Stellelement, insbesondere eine Steuerklappe, angeordnet ist, mit welchem der Abgasstrom des Verbrennungsmotors wahlweise durch den Hauptkanal und/oder durch den Bypass geleitet werden kann. Durch ein Stellelement kann auf einfache Art und Weise ein Umschalten des Abgasstroms zwischen den Hauptkanal und den Bypass erfolgen. Eine Steuerklappe ist ein besonders einfaches und kostengünstiges Stellelement, welche im geöffneten Zustand zu keinem wesentlichen Anstieg des Strömungswiderstands und damit verbunden des Abgasgegendrucks führt. Dadurch kann der Verbrauch des Verbrennungsmotors weitestgehend konstant gehalten werden.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass das weitere elektrische Heizelement stromabwärts des zweiten passiven NOx-Adsorbers angeordnet ist. Durch ein weiteres elektrisches Heizelement stromabwärts des zweiten passiven NOx-Adsorbers kann das Aufheizen der zweiten NOx-reduzierenden Abgasreinigungsvorrichtung, insbesondere des zweiten SCR-Katalysators, unterstützt werden, sodass dieser schneller seine Betriebstemperatur erreicht. Dabei wird angestrebt, dass der zweite SCR-Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat, zuvor eine thermische Desorption der im zweiten passiven NOx-Adsorber eingespeicherten Stickoxide erfolgt.
-
Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass ein weiteres elektrisches Heizelement stromaufwärts des zweiten passiven NOx-Adsorbers angeordnet ist. Durch ein weiteres elektrisches Heizelement stromaufwärts des zweiten passiven NOx-Adsorbers kann eine thermische Desorption der im zweiten passiven NOx-Adsorber eingespeicherten Stickoxide unterstützt werden. Dadurch kann auch bei niedrigen Abgastemperaturen eine vollständige Regeneration des zweiten passiven NOx-Adsorbers erreicht werden.
-
In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste elektrische Heizelement und zumindest ein weiteres elektrisches Heizelement über eine gemeinsame Heizungssteuerung ansteuerbar sind. Dadurch kann der Heizstrom bedarfsgerecht auf die beiden elektrischen Heizelemente verteilt werden. Insbesondere kann ein Verfahren zum Betreiben der elektrischen Heizelemente so gestaltet werden, dass immer nur ein elektrisches Heizelement aktiv ist. Dadurch kann auf ein zusätzliches Steuergerät für das elektrische Heizelement verzichtet werden, was die Kosten für das Abgasnachbehandlungssystem verringert.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass ein Abgaskanal unmittelbar stromaufwärts der NOx-Speichereinheit mit einer Einleitstelle für eine Sekundärluftzufuhr ausgebildet ist. Somit kann auch bei abgeschalteten Verbrennungsmotor ein Trägerluftstrom ausgebildet werden, welcher ein Austreiben der in dem zweiten passiven NOx-Adsorber eingespeicherten Stickoxide ermöglicht. Die ausgetragenen Stickoxide können dann auf der zweiten NOx-reduzierenden Abgasreinigungsvorrichtung, insbesondere dem zweiten SCR-Katalysator konvertiert werden, sodass der zweite passive NOx-Adsorber bei einem Neustart des Verbrennungsmotors weitgehend leer ist und eine hohe Speicherkapazität für Stickoxide aufweist.
-
Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem, welches folgende Verfahrensschritte umfasst:
- - Starten des Verbrennungsmotors, wobei die Stickoxidemissionen im Abgasstrom des Verbrennungsmotors in dem motornahen ersten passiven Nox-Adsorber eingespeichert werden,
- - Aufheizen des Abgasstroms stromabwärts des ersten passiven NOx-Adsorbers durch das erste elektrische Heizelement,
- - Aufheizen der ersten NOx-reduzierenden Abgasreinigungsvorrichtung auf ihre Betriebstemperatur, insbesondere auf eine Betriebstemperatur der SCR-Beschichtung eines Partikelfilters wobei die Stickoxide während des Aufheizens in den zweiten passiven NOx-Adsorber eingespeichert werden,
- - Regenerieren des ersten passiven NOx-Adsorbers, wenn erste NOx-reduzierende Abgasreinigungsvorrichtung ihre Betriebstemperatur erreicht hat und die Stickoxide durch die erste NOx-reduzierende Abgasreinigungsvorrichtung, insbesondere durch die SCR-Beschichtung des Partikelfilters, durch eine selektive katalytische Reduktion konvertiert werden.
-
Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren können insbesondere die Kaltstartemission eines Verbrennungsmotors weiter verringert werden. Dabei kann durch den zweiten passiven NOx-Adsorber in Kombination mit dem motornahen ersten elektrischen Heizelement bereits unmittelbar nach dem Kaltstart des Verbrennungsmotors ein Einspeichern der Stickoxidemissionen erfolgen. Durch die elektrischen Heizelemente wird sichergestellt, dass bevor die Stickoxide aus den passiven NOx-Adsorbern desorbieren können, die stromabwärts des passiven NOx-Adsorber angeordneten NOx-reduzierenden Abgasnachbehandlungskomponenten, insbesondere die SCR-Katalysatoren, ihre Betriebstemperatur, insbesondere eine Temperatur von mindestens 180°C, vorzugsweise von mindestens 200°C, erreicht haben. Dadurch kann verhindert werden, dass unmittelbar nach dem Kaltstart des Verbrennungsmotors größere Mengen an Stickoxiden unkonvertiert in die Umwelt emittiert werden.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der zweite passive NOx-Adsorber bei einem Abschalten des Verbrennungsmotors konditioniert wird, indem stromaufwärts des zweiten passiven NOx-Adsorbers Sekundärluft in die Abgasanlage eingebracht wird, um einen Trägerluftstrom auszubilden und die im zweiten passiven NOx-Adsorber eingespeichert Stickoxiden auszutragen und diese mit der zweiten NOx-reduzierenden Abgasreinigungsvorrichtung, insbesondere dem zweiten SCR-Katalysator, zu konvertieren. Die ausgetragenen Stickoxide können dann auf dem zweiten SCR-Katalysator konvertiert werden, sodass der zweite passive NOx-Adsorber bei einem Neustart des Verbrennungsmotors weitgehend leer ist und eine hohe Speicherkapazität für Stickoxide aufweist. Somit kann sichergestellt werden, dass beim Neustart des Verbrennungsmotors eine hinreichende Speicherkapazität für Stickoxide vorhanden ist.
-
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
-
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 einen Verbrennungsmotor mit einem Luftversorgungssystem und einer Abgasanlage mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem;
- 2 eine bevorzugte Ausgestaltung einer NOx-Speichereinheit mit einem passiven NOx-Adsorber; und
- 3 ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer NOx-Speichereinheit mit einem passiven NOx-Adsorber zur Anordnung in einer Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges.
-
1 zeigt die schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 10. Der Verbrennungsmotor 10 ist als direkteinspritzender Dieselmotor ausgeführt. Der Verbrennungsmotor 10 weist mehrere Brennräume 12 auf. An den Brennräumen 12 ist jeweils ein Kraftstoffinjektor 14 zur Einspritzung eines Kraftstoffes in den jeweiligen Brennraum 12 angeordnet. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Einlass 16 mit einem Luftversorgungssystem 20 und mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 40 verbunden. Der Verbrennungsmotor 10 umfasst ferner eine Hochdruckabgasrückführung 30 mit einer Abgasrückführungsleitung 36 und einem Hochdruckabgasrückführungsventil 38, über welches ein Abgas des Verbrennungsmotors 10 von dem Auslass 18 zum Einlass 16 zurückgeführt werden kann. An den Brennräumen 12 sind Einlassventile und Auslassventile angeordnet, mit welchen eine fluidische Verbindung vom Luftversorgungssystem 20 zu den Brennräumen 12 oder von den Brennräumen 12 zur Abgasanlage 40 geöffnet oder verschlossen werden kann.
-
Das Luftversorgungssystem 20 umfasst einen Ansaugkanal 28, in welchem in Strömungsrichtung von Frischluft durch den Ansaugkanal 28 ein Luftfilter 22, stromabwärts des Luftfilters 22 ein Luftmassenmesser 24, insbesondere ein Heißfilmluftmassenmesser, stromabwärts des Luftmassenmessers 24 ein Verdichter 26 eines Abgasturboladers 44 und stromabwärts des Verdichters 26 ein Ladeluftkühler 32 angeordnet sind. Dabei kann der Luftmassenmesser 24 auch in einem Filtergehäuse des Luftfilters 22 angeordnet sein, sodass der Luftfilter 22 und der Luftmassenmesser 24 eine Baugruppe ausbilden. Stromabwärts des Luftfilters 22 und stromaufwärts des Verdichters 26 ist eine Einmündung 34 vorgesehen, an welcher eine Abgasrückführungsleitung 86 einer Niederdruckabgasrückführung 80 in den Ansaugkanal 28 mündet.
-
Die Abgasanlage 40 umfasst einen Abgaskanal 42, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 42 eine Turbine 46 des Abgasturboladers 44 angeordnet ist, welche den Verdichter 26 im Luftversorgungssystem 20 über eine Welle antreibt. Der Abgasturbolader 36 ist vorzugsweise als Abgasturbolader 36 mit variabler Turbinengeometrie ausgeführt. Dazu sind einem Turbinenrad der Turbine 46 verstellbare Leitschaufeln vorgeschaltet, über welche die Anströmung des Abgases auf die Schaufeln der Turbine 46 variiert werden kann. Stromabwärts der Turbine 46 sind mehrere Abgasnachbehandlungskomponenten 48, 50, 52, 54, 56, 58, 64, 66, 70, 72 vorgesehen. Dabei ist unmittelbar stromabwärts der Turbine 46 als erste Komponente der Abgasnachbehandlung ein erster passiver NOx-Adsorber 48 angeordnet, welchem in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors 10 durch die Abgasanlage 40 ein erstes elektrisches Heizelement 74, insbesondere ein elektrisch beheizbarer Katalysator, nachgeschaltet ist. Stromabwärts des ersten passiven NOx-Adsorbers 48 ist ein erster Katalysator 50, vorzugsweise ein Oxidationskatalysator 52 oder ein NOx-Speicherkatalysator 54 angeordnet, welcher einen Oxidationskatalysator 52 umfasst. Stromabwärts des ersten Katalysators 50 ist ein Partikelfilter 56 mit einer Beschichtung 58 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet. Dem Partikelfilter 56 kann einlassseitig eine SCR-Scheibe 114 vorgeschaltet sein. Stromabwärts des Partikelfilters 56 ist eine Verzweigung 60 vorgesehen, an welcher eine Abgasrückführungsleitung 86 einer Niederdruckabgasrückführung 80 aus den Abgaskanal 42 abzweigt. Stromabwärts der Verzweigung ist eine Abgasstauklappe 62 vorgesehen, mit welcher der Querschnitt des Abgaskanals 42 zumindest teilweise versperrt werden kann, um den Abgasgegendruck im Abgaskanal 42 zu erhöhen. Stromabwärts der Abgasstauklappe 62 ist eine NOx-Speichereinheit 64 angeordnet, welche einen zweiten passiven NOx-Adsorber 66 umfasst. Die NOx-Speichereinheit 64 weist ein zweites elektrisches Heizelement 94 auf, welches vorzugsweise stromabwärts des zweiten passiven NOx-Adsorbers 66 angeordnet ist. Stromabwärts der NOx-Speichereinheit 64 ist in der Abgasanlage 40 ein weiterer SCR-Katalysator 70 angeordnet, welchem ein Ammoniaksperrkatalysator 72 nachgeschaltet ist.
-
Die Niederdruckabgasrückführung 80 umfasst neben der Abgasrückführungsleitung 86 einen Niederdruckabgasrückführungskühler 82 und ein Abgasrückführungsventil 84, über welches die Abgasrückführung durch die Abgasrückführungsleitung 86 steuerbar ist. An der Abgasrückführungsleitung 86 der Niederdruck-Abgasrückführung 80 ist ein Temperatursensor 98 vorgesehen, über welchen eine Abgastemperatur in der Niederdruckabgasrückführung 80 ermittelt werden kann, um die Niederdruckabgasrückführung 80 zu aktivieren, sobald die Abgastemperatur in der Niederdruckabgasrückführung 80 einen definierten Schwellenwert überschritten hat. Somit kann verhindert werden, dass Wasserdampf oder im Abgas enthaltenes Reduktionsmittel zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere flüssige Harnstofflösung, auskondensiert und in der Niederdruckabgasrückführung 80 oder im Luftversorgungssystem 20 zu Beschädigungen oder Ablagerungen führt.
-
In der Abgasanlage 40 ist stromabwärts des ersten Katalysators 50 und stromaufwärts des Partikelfilters 56 mit der SCR-Beschichtung 58 ein erstes Dosierelement 76 angeordnet, mit welchem ein vorzugsweise flüssiges Reduktionsmittel, insbesondere eine wässrige Harnstofflösung, in den Abgaskanal 42 eindosiert werden kann. Stromabwärts der NOx-Speichereinheit 64 und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 70 ist ein zweites Dosierelement 78 angeordnet, mit welchem ebenfalls das Reduktionsmittel in die Abgasanlage 40 eindosiert werden kann. Stromabwärts der Abgasstauklappe 62 und stromaufwärts der NOx-Speichereinheit 64 ist am Abgaskanal 42 eine Einleitstelle 92 für eine Sekundärluftzufuhr 90 ausgebildet, um bei einem Motorstillstand des Verbrennungsmotors 10 unabhängig vom Abgasstrom einen Trägerluftstrom ausbilden zu können.
-
Ferner ist im Abgaskanal 42, vorzugsweise an einer der Abgasnachbehandlungskomponenten 48, 50, 52, 54, 56, 58, 64, 66, 70, 72, insbesondere an einem der passiven NOx-Adsrober 48, 66, am Partikelfilter 56 oder am SCR-Katalysator 70 ein Temperatursensor 98 vorgesehen, mit welchem eine Abgastemperatur in der Abgasanlage 40 überwacht werden kann, um eine effektive und effiziente Abgasnachbehandlung des Abgases des Verbrennungsmotors 10 zu ermöglichen. Ferner sind Differenzdrucksensoren 110 vorgehen, um eine Druckdifferenz über den Partikelfilter 56 zu bestimmen. Auf diese Weise kann der Beladungszustand des Partikelfilters 56 ermittelt und bei Überschreiten eines definierten Beladungsniveaus eine Regeneration des Partikelfilters 56 eingeleitet werden. Ferner ist im Abgaskanal 42 mindestens ein Sensor 112 zur Ermittlung der Stickoxidkonzentration angeordnet.
-
Der Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Motorsteuergerät 100 verbunden, welches über nicht dargestellte Signalleitungen mit den Temperatur-, Druck- und Stickoxidsensoren 98, 110, 112 sowie mit den Kraftstoffinjektoren 14 des Verbrennungsmotors 10 und den Steuereinrichtungen des Luftversorgungssystems 20 sowie der Abgasanlage 40 verbunden ist.
-
In 2 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer NOx-Speichereinheit 64 dargestellt. Die NOx-Speichereinheit 64 weist einen zweiten passiven NOx-Adsorber 66 und mindestens ein elektrisches Heizelement 94, 96 auf. Das elektrische Heizelement 94, 96 ist vorzugsweise stromabwärts des zweiten passiven NOx-Adsorbers 66 angeordnet, um den Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 vor Eintritt in den zweiten SCR-Katalysator 70 aufheizen zu können und den zweiten SCR-Katalysator 70 im Wesentlichen unabhängig vom Abgasstrom auch seine Betriebstemperatur zu bringen. Alternativ oder zusätzlich kann ein weiteres elektrisches Heizelement 96 stromaufwärts des zweiten passiven NOx-Adsorbers 66 vorgesehen werden, um einen Regeneration des passiven NOx-Adsorbers 66 einleiten zu können.
-
Nach dem Start des Verbrennungsmotors 10 werden die Stickoxid-Rohemissionen zunächst im motornahen ersten passiven NOx-Adsorber 48 zwischengespeichert. Mittels des ersten elektrischen Heizelements 74 wird der nachgeschaltete Partikelfilter 56 mit der SCR-Beschichtung 58 aufgewärmt. Hat die SCR-Beschichtung 58 ihre Betriebstemperatur erreicht, wird stromaufwärts des Partikelfilters 56 durch das erste Dosierelement 76 Reduktionsmittel in die Abgasanlage 40 eindosiert. Üblicherweise wird der Partikelfilter 56 mit der SCR-Beschichtung 58 schneller durchwärmt, als der motornahe erste passive NOx-Adsorber 48 seine Desorptionstemperatur erreicht. Falls dies aufgrund dynamischer Fahrweise nicht der Fall ist, werden die durch den Partikelfilter 56 nicht konvertierten Stickoxide in dem zweiten passiven NOx-Adsorber 66 zwischengespeichert.
-
Aufgrund der hohen thermischen Trägheit der dem motorfernen zweiten passiven NOx-Adsorber 66 vorgeschalteten Abgasanlage 40 erwärmen sich die Abgasnachbehandlungskomponenten 64, 66, 70, 72 in Unterbodenlage signifikant langsamer als die motornahe Abgasnachbehandlungskomponenten 48, 50, 56, 58. Das zweite elektrische Heizelement 94 stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 70 wird parallel zum motornahen ersten elektrischen Heizelement 74 betrieben. Alternativ kann das zweite elektrische Heizelement 94 auch erst nach dem Erreichen einer vorgegebenen Temperaturschwelle für die Temperatur des Partikelfilters 56 aktiviert werden. Hat auch der zweite SCR-Katalysator 70 seine Betriebstemperatur erreicht, wird auch das zweite Dosierelement 78 aktiviert. Die Eindosierung des Reduktionsmittels erfolgt dann wahlweise durch das erste Dosierelement 76 und/oder das zweite Dosierelement 78. Die Desorption der im motorfernen zweiten passiven NOx-Adsorber 66 eingespeicherten Stickoxide erfolgt entweder fahrzyklusbedingt durch steigende Abgastemperaturen oder bevorzugt durch das Einschalten des zweiten elektrischen Heizelements 94 stromaufwärts des zweiten passiven NOx-Adsorbers 66. Zur maximalen Absicherung bei Kurzstreckenbetrieb des Kraftfahrzeuges ist es sinnvoll, der NOx-Speichereinheit 64 eine Sekundärluftzufuhr 90 vorzuschalten. Somit kann auch bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor 10 eine Desorption der im motorfernen zweiten passiven NOx-Adsorber 66 eingespeicherten Stickoxide und eine Konvertierung durch den zweiten SCR-Katalysator 70 erfolgen. Somit kann der zweite passive NOx-Adsorber 66 derart vorkonditioniert werden, dass bei jedem Neustart des Verbrennungsmotors 10 zumindest der motorferne zweite passive NOx-Adsorber 66 einen definierte Beladungszustand aufweist.
-
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer NOx-Speichereinheit 64 mit einem zweiten passiven NOx-Adsorber 66 dargestellt. Die Speichereinheit 64 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Ringkatalysator 102 ausgeführt und weist einen zentrischen Hauptkanal 106 sowie einen koaxial den zentrischen Hauptkanal 106 ummantelnden Bypass 108 auf, in welchem ein als Ring ausgebildeter zweiter passiver NOx-Adsorber 66 angeordnet ist. Die NOx-Speichereinheit 64 weist ferner ein Stellelement 104 in Form einer Steuerklappe 104 auf, mit welcher der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 wahlweise durch Hauptkanal 106 und/oder durch den Bypass 108 geleitet werden kann.
-
Bei einem Motorstart des Verbrennungsmotors 10 wird die Steuerklappe 104 zunächst geschlossen und der Abgasstrom über den als Ring ausgebildeten zweiten passiven NOx-Adsorber 66 geleitet. Sobald die motornahen Abgasnachbehandlungskomponenten 48, 56, 58 ihre Betriebstemperatur erreicht haben, wird die Steuerklappe 104 geöffnet und das zweite elektrische Heizelement 94 am Einlass der NOx-Speichereinheit 64 aktiviert. Das erwärmte Abgas durchströmt überwiegend den Hauptkanal 106 und beaufschlagt den zweiten SCR-Katalysator 70. Sobald der zweite SCR-Katalysator 70 seine Betriebstemperatur erreicht hat, wird die Steuerklappe 104 wieder geschlossen und bei aktiviertem zweiten elektrischen Heizelement 94 der Abgasstrom durch den Bypass geleitet, um eine thermische Desorption der im zweiten passiven NOx-Adsorber 66 eingespeicherten Stickoxide zu erreichen. Diese Stickoxide werden mittels selektiver, katalytischer Reduktion durch den zweiten SCR-Katalysator in molekularen Stickstoff und Wasserdampf umgesetzt. Nach Entleerung des zweiten passiven NOx-Adsorbers 66 wird das zweite elektrische Heizelement 94 deaktiviert und die Steuerklappe 104 wieder geöffnet, sodass der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 wieder durch den Hauptkanal 106 geführt wird.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Brennraum
- 14
- Kraftstoffinjektor
- 16
- Einlass
- 18
- Auslass
- 20
- Luftversorgungssystem
- 22
- Luftfilter
- 24
- Luftmassenmesser
- 26
- Verdichter
- 28
- Ansaugkanal
- 30
- Hochdruckabgasrückführung
- 32
- Ladeluftkühler
- 34
- Einmündung
- 36
- Abgasrückführungsleitung
- 38
- Hochdruckhabgasrückführungsventil
- 40
- Abgasanlage
- 42
- Abgaskanal
- 44
- Abgasturbolader
- 46
- Turbine
- 48
- erster passiver NOx-Adsorber
- 50
- erster Katalysator
- 52
- Oxidationskatalysator
- 54
- NOx-Speicherkatalysator
- 56
- Partikelfilter
- 58
- SCR-Beschichtung
- 60
- Verzweigung
- 62
- Abgasstauklappe
- 64
- NOx-Speichereinheit
- 66
- zweiter passiver NOx-Adsorber
- 68
- Heizungssteuerung
- 70
- SCR-Katalysator
- 72
- Ammoniak-Sperrkatalysator
- 74
- erstes elektrisches Heizelement
- 76
- erstes Dosierelement
- 78
- zweites Dosierelement
- 80
- Niederdruckabgasrückführung
- 82
- Niederdruckabgasrückführungskühler
- 84
- Abgasrückführungsventil
- 86
- Abgasrückführungsleitung
- 88
- Filter
- 90
- Sekundärluftzufuhr
- 92
- Einleitstelle
- 94
- zweites elektrisches Heizelement
- 96
- drittes elektrisches Heizelement
- 98
- Temperatursensor
- 100
- Steuergerät
- 102
- Ringkatalysator
- 104
- Stellelement
- 106
- Hauptkanal
- 108
- Bypass
- 110
- Drucksensor
- 112
- NOx-Sensor
- 114
- SCR-Scheibe
-
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 102018009233 A1 [0008]
- DE 102018129683 A1 [0009]
