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Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors 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 StickoxidEmissionen eine Herausforderung für die Motorenentwickler dar. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Weise über einen Drei-Wege-Katalysator, sowie dem Drei-Wege-Katalysator vor- und nachgeschaltete weitere Katalysatoren. Bei Dieselmotoren finden aktuell Abgasnachbehandlungssysteme Verwendung, welche einen Oxidationskatalysator, 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.
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Ferner sind Abgasnachbehandlungssysteme mit mindestens zwei Abgasnachbehandlungskomponenten zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden bekannt, welche sequenziell von einem Abgasstrom des Verbrennungsmotors durchströmt werden, wobei die erste Abgasnachbehandlungskomponente motornah und die zweite Abgasnachbehandlungskomponente in Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges angeordnet ist, wobei jeder Abgasnachbehandlungskomponente ein Dosierelement zur Eindosierung von wässriger Harnstofflösung zugeordnet ist, um je nach Betriebssituation des Verbrennungsmotors mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente in einem Temperaturbereich betreiben zu können, um eine effiziente Konvertierung der Stickoxidemissionen zu ermöglichen. Dabei ist die erste Abgasnachbehandlungskomponente als motornaher Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung und die zweite Abgasnachbehandlungskomponente als SCR-Katalysator ausgestaltet. Die motornahe Position des Partikelfilters mit SCR-Beschichtung ermöglicht ein schnelles Aufheizen nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors sowie ein effizientes Aufheizen des Partikelfilters zum Zwecke der Regeneration, sodass eine solche Regeneration des Partikelfilters auch bei schwachlastigen Fahrzyklen sichergestellt werden kann.
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Die
US 7 628 008 B2 offenbart einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors ein motornaher erster Partikelfilter, stromabwärts des motornahen ersten Partikelfilters ein SCR-Katalysator und stromabwärts des SCR-Katalysators ein weiterer Partikelfilter angeordnet sind. Dabei ist der erste Partikelfilter stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers und der SCR-Katalysator sowie der zweite Partikelfilter stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers angeordnet. Ferner ist ein Dosierelement zur Eindosierung von wässriger Harnstofflösung stromaufwärts des ersten Partikelfilters oder stromaufwärts einer Turbine oder stromaufwärts des SCR-Katalysators vorgesehen. Der zweite Partikelfilter weist einen Oxidationskatalysator auf und kann durch eine exotherme Umsetzung von stromaufwärts des zweiten Partikelfilters durch einen Zerstäuber eindosiertem Kraftstoff beheizt werden.
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Die
CA 2 702 246 A1 offenbart einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors stromabwärts einer Turbine eines Abgasturboladers Partikelfilter und stromabwärts des Partikelfilters ein SCR-Katalysator angeordnet sind. Dabei weist der Partikelfilter einen Oxidationskatalysator auf. Stromaufwärts des Oxidationskatalysators ist ein erstes Dosiermodul vorgesehen, mit welchem Dieselkraftstoff in die Abgasanlage eingebracht werden kann, welcher exotherm auf dem Oxidationskatalysator umgesetzt wird, um den Partikelfilter aufzuheizen. Stromabwärts des Partikelfilters und stromaufwärts des SCR-Katalysators ist ein zweites Dosiermodul zur Eindosierung von wässriger Harnstofflösung in den Abgaskanal vorgesehen.
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Die
WO 2019/129369 A1 offenbart einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasanlage, in welcher in einem Abgas-Strömungspfad stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers ein motornaher Oxidationskatalysator und ein Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung angeordnet sind und stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers ein weiterer SCR-Katalysator angeordnet ist.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Konvertierungsleistung bezüglich der Stickoxidemissionen zu verbessern und die Kraftstoffeffizienz des Verbrennungsmotors zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasanlage, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors durch die Abgasanlage ein erster Katalysator, stromabwärts des ersten Katalysators ein erster SCR-Katalysator und stromabwärts des ersten SCR-Katalysators ein zweiter SCR-Katalysator angeordnet ist, gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators ein Partikelfilter angeordnet ist, welcher über ein externes Heizmittel unabhängig vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors beheizbar ist. Durch das vorgeschlagene Abgasnachbehandlungssystem ist eine räumliche Trennung von der SCR-Funktion und der Partikelfilterfunktion möglich. Die räumliche Trennung führt dazu, dass die SCR-Beschichtung auf ein Substrat aufgetragen werden kann, welches besser für die SCR-Funktion geeignet ist als ein Partikelfilter. Dadurch Aufgrund der geringeren Wärmekapazität kann die Light-Off-Temperatur das SCR-Katalysators schneller nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors erreicht werden. Zudem kann der SCR-Katalysator mit einer höheren Zellenanzahl und/oder einer höheren Washcoatbeladung ausgebildet werden, was die Effizienz der Stickoxidkonvertierung erhöht. Ferner können die Konvertierungsraten, insbesondere bei hohen Motorlasten verbessert werden. Darüber hinaus ist die Alterung der SCR-Funktion deutlich reduziert, da die hohen Temperaturen während der Regeneration des Partikelfilters nicht zu einer erhöhten thermischen Belastung für die SCR-Katalysatoren führen. Zudem kann durch das externe Heizmittel ein Partikelfilter in einer motorfernen Position, insbesondere in einer Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges, auf seine Regenerationstemperatur aufgeheizt werden.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Merkmale sind vorteilhafte Weiterentwicklungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch genannten Abgasnachbehandlungssystems möglich.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das externe Heizmittel einen Abgasbrenner umfasst. Durch einen Abgasbrenner kann eine besonders hohe Energiemenge in die Abgasanlage eingebracht werden. Dadurch kann der Partikelfilter besonders schnell auf seine Regenerationstemperatur aufgeheizt werden.
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Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass das externe Heizmittel ein elektrisches Heizelement, insbesondere einen elektrisch beheizbaren Katalysator, umfasst. Ein elektrisches Heizelement hat in der Regel eine geringere Heizleistung als ein Abgasbrenner, benötigt jedoch deutlich weniger Bauraum und kann kostengünstiger als ein Abgasbrenner ausgeführt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass das externe Heizmittel stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators und stromaufwärts des Partikelfilters angeordnet ist. Dadurch wird die Wärme unmittelbar stromaufwärts des Partikelfilters in die Abgasanlage eingetragen, sodass sich der Partikelfilter zum Zwecke der Regeneration schnell aufheizt, jedoch die stromaufwärts des Partikelfilters angeordneten Abgasnachbehandlungskomponenten nicht durch den Wärmeeintrag in ihrer Funktion gestört werden und/oder einer beschleunigten Alterung unterliegen. Zudem kann der Partikelfilter nahezu unabhängig vom Betriebspunkt des Verbrennungsmotors regeneriert werden, wobei auf innermotorische Heizmaßnahmen verzichtet werden kann, welche den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors verringern und/oder die Rohemissionen des Verbrennungsmotors erhöhen.
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In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass stromabwärts des ersten Katalysators und stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators ein erstes Dosierelement und stromabwärts des ersten SCR-Katalysators und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators ein zweites Dosierelement angeordnet sind, mit welchen ein Reduktionsmittel zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden in die Abgasanlage eingebracht werden kann. Dadurch können die beiden SCR-Katalysatoren unabhängig voneinander betrieben werden, sodass jeweils das Reduktionsmittel stromaufwärts des SCR-Katalysators eindosiert wird, welcher bei den aktuellen Betriebsbedingungen und Temperaturen die jeweils höhere Konvertierungsleistung aufweist.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass unmittelbar stromabwärts des ersten SCR-Katalysators eine Ammoniaksperrkatalysatorzone ausgebildet ist. Durch eine Ammoniaksperrkatalysatorzone am auslassseitigen Ende des ersten SCR-Katalysators wird eine unkontrollierte Beladung des zweiten SCR-Katalysators mit Ammoniak verhindert. Dadurch kann ein Beladungsmodell zur Berechnung der Ammoniakbeladung des zweiten SCR-Katalysators vereinfacht werden. Gegebenenfalls kann ein zusätzlicher Ammoniaksensor stromabwärts des ersten SCR-Katalysators entfallen, da der Ammoniakschlupf auf dem ersten SCR-Katalysator durch die Ammoniaksperrkatalysatorzone eliminiert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators und stromaufwärts des Heizmittels ein Ammoniaksperrkatalysator angeordnet ist. Durch einen Ammoniaksperrkatalysator kann verhindert werden, dass bei einer Überdosierung von Reduktionsmittel oder infolge von thermischen Prozessen in der Abgasanlage freigesetzter Ammoniak in die Umwelt emittiert wird.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der zweite SCR-Katalysator und der Ammoniaksperrkatalysator in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Dadurch ist eine besonders kompakte Bauweise möglich. Zudem erleichtert sich die Montage des Abgasnachbehandlungssystems, da durch das Zusammenfassen zweier Katalysatoren in einem Gehäuse eine Komponente weniger montiert werden muss.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass der erste Katalysator und der erste SCR-Katalysator in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, wobei das Gehäuse einen Umlenkbereich aufweist, in welchem ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors zwischen dem ersten Katalysator und dem ersten SCR-Katalysator um mindestens 120°, vorzugsweise um 180°, umgelenkt wird. Dadurch kann auf einer vergleichsweise kurzen Wegstrecke eine gute Vermischung von Reduktionsmittel und Abgasstrom erreicht werden.
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Bevorzugt ist dabei, wenn das Gehäuse in dem Umlenkbereich eine erste Öffnung zur Aufnahme eines Dosierelements zum Eindosieren eines Reduktionsmittels aufweist. Dabei wird das Reduktionsmittel in den Umlenkbereich eindosiert, sodass sich aufgrund der bei der Umlenkung auftretenden Turbulenzen eine besonders gute Durchmischung von Abgasstrom und Reduktionsmittel vor dem Eintritt in den ersten SCR-Katalysator ergibt.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn in dem Gehäuse eine zweite Öffnung zum Anschluss einer Abgasrückführungsleitung eine Niederdruck-Abgasrückführung vorgesehen ist, wobei die zweite Öffnung stromabwärts des ersten Katalysators und stromaufwärts der ersten Öffnung ausgebildet ist. Dadurch kann verhindert werden, dass Reduktionsmittel in die Niederdruck-Abgasrückführung eingetragen wird und sich dort ablagert. Zudem kann durch eine Entnahme des zurückgeführten Abgasstroms stromaufwärts beider SCR-Katalysatoren der Abgasmassenstrom durch die SCR-Katalysatoren reduziert werden, wodurch die Durchströmungsgeschwindigkeit des Abgasstroms durch die SCR-Katalysatoren reduziert und die Konvertierungsleistung erhöht werden kann. Dies führt zudem zu einer Verringerung des Reduktionsmittelverbrauchs. Zudem wird der Abgasvolumenstrom durch den Partikelfilter durch das zurückgeführte Abgas reduziert, sodass die Regenerationsintervalle für den Partikelfilter verlängert werden können.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass stromabwärts des ersten Katalysators und stromaufwärts des zweiten SCR Katalysators eine Verzweigung vorgesehen ist, an welcher eine Abgasrückführungsleitung einer Niederdruck-Abgasrückführung aus dem Abgaskanal der Abgasanlage abzweigt. Dadurch kann der Abgasvolumenstrom durch den Partikelfilter um das zurückgeführte Abgas verringert werden, sodass die Regenerationsintervalle für den Partikelfilter verlängert werden können.
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Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass stromabwärts des Partikelfilters eine Verzweigung vorgesehen ist, an welcher eine Abgasrückführungsleitung einer Niederdruck-Abgasrückführung aus einem Abgaskanal der Abgasanlage abzweigt. Dadurch kann der Partikeleintrag in die Niederdruck-Abgasrückführung minimiert werden. Zudem kann in einem Normalbetrieb des Abgasnachbehandlungssystems, also wenn der Partikelfilter nicht zur Regeneration durch das externe Heizmittel aufgeheizt wird, ein besonders kühles Abgas zurückgeführt werden, wodurch die Rohemissionen des Verbrennungsmotors besonders effizient minimiert werden können.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass der erste Katalysator ein elektrisches Heizelement umfasst, über welches der erste Katalysator unabhängig vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors beheizbar ist. Dadurch kann das Aufheizen des ersten Katalysators in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors verbessert werden, wodurch das Abgasnachbehandlungssystem schneller in der Lage ist, die Abgasemissionen effizient zu vermindern.
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Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem, welches folgende Schritte umfasst:
- - Durchleiten des Abgasstroms durch den ersten Katalysator, wobei zumindest eine Teilmenge der im Abgasstrom des Verbrennungsmotors enthaltenen Schadstoffe oxidiert werden,
- - Durchleiten des Abgasstroms durch den ersten SCR-Katalysator und durch den zweiten SCR-Katalysator, wobei die im Abgasstrom des Verbrennungsmotors enthaltenen Sickoxide durch den ersten SCR-Katalysator und/oder den zweiten SCR-Katalysator in molekularen Stickstoff und Wasserdampf konvertiert werden, und
- - Durchleiten des Abgasstroms durch den Partikelfilter, wobei die im Abgasstrom des Verbrennungsmotors enthaltenen Rußpartikel aus dem Abgasstrom herausgefiltert werden.
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Durch das vorgeschlagene Verfahren kann die Funktionalität des Partikelfilters von der SCR-Funktionalität räumlich getrennt werden. Dadurch kann ein Substrat gewählt werden, welches sich im Vergleich zu einem Partikelfilter schneller erwärmt und eine stabilere SCR-Beschichtung als ein Partikelfilter ermöglicht. Durch die schnellere Erwärmung des motornahen ersten SCR-Katalysators kann die Light-Off-Temperatur schneller erreicht werden, sodass Stickoxide früher und effizienter konvertiert werden können. Die Konvertierungsleistung kann zudem dadurch verbessert werden, dass eine Regeneration des Partikelfilters nicht zu einem thermischen Austrag von Ammoniak aus einem der SCR-Katalysatoren führt. Zudem kann die Dauerhaltbarkeit des Abgasnachbehandlungssystems verbessert werden, da eine Regeneration des Partikelfilters nicht zu einer beschleunigten Alterung der SCR-Katalysatoren führt.
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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 und Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei die unterschiedlichen Figuren mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet. Es zeigen:
- 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem;
- 2 ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors;
- 3 ein drittes Ausführungsbeispiel für ein Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors;
- 4 ein viertes Ausführungsbeispiel für ein Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors; und
- 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel für ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor.
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1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10, dessen Einlass 16 mit einem Luftversorgungssystem und dessen Auslass 18 mit einer Abgasanlage 22 eines Abgasnachbehandlungssystems 20 des Verbrennungsmotors 10 verbunden ist. Der Verbrennungsmotor 10 ist als selbstzündender Kompressionsmotor nach dem Dieselprinzip ausgeführt. Der Verbrennungsmotor 10 weist mehrere Brennräume 12 auf, in welchen ein Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird. Dazu ist an den Brennräumen 12 jeweils ein Kraftstoffinjektor 14 vorgesehen, um einen Kraftstoff in die Brennräume 12 einzuspritzen.
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Der Verbrennungsmotor 10 ist vorzugsweise als mittels eines Abgasturboladers 26 aufgeladener Verbrennungsmotor 10 ausgeführt, wobei eine Turbine 28 des Abgasturboladers 26 stromabwärts des Auslasses 18 und stromaufwärts eines ersten Katalysators 30 angeordnet ist. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Motorsteuergerät 80 verbunden, über welches u.a. die Einspritzmenge und der Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffes in die Brennräume 12 gesteuert werden.
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Die Abgasanlage 22 umfasst einen Abgaskanal 24, in dem in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Abgaskanal 24 stromabwärts der Turbine 28 des Abgasturboladers 26 als erste Abgasnachbehandlungskomponente ein motornaher erster Katalysator 30 angeordnet ist. Der erste Katalysator 30 ist vorzugsweise als Oxidationskatalysator 32 oder als NOx-Speicherkatalysator 34 ausgeführt. Alternativ oder zusätzlich kann der erste Katalysator 30 als passiver NOx-Adsorber 86 ausgebildet sein oder einen passiven NOx-Adsorber 86 umfassen. Der erste Katalysator 30 ist vorzugsweise mittels eines elektrischen Heizelements 60 im Wesentlichen unabhängig vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 beheizbar. Stromabwärts des motornahen ersten Katalysators 30 ist in der Abgasanlage 22 ein motornaher erster SCR-Katalysator 36 angeordnet. Der motornahe erste SCR-Katalysator 36 weist eine Konvertierungszone und vorzugsweise eine der Konvertierungszone nachgeschaltete Ammoniaksperrkatalysatorzone 44 auf. Diese Ammoniaksperrkatalysatorzone 44 kann jedoch auch entfallen oder durch einen separaten Ammoniaksperrkatalysator ersetzt werden, welcher unmittelbar stromabwärts des ersten SCR-Katalysators 36 angeordnet ist. Der erste Katalysator 30 und der erste SCR Katalysator 36 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 48 angeordnet, wobei der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 zwischen dem ersten Katalysator 30 und dem ersten SCR Katalysator 36 in einem Umlenkbereich 74 um 180° umgelenkt wird. Das gemeinsame Gehäuse 48 weist eine erste Öffnung 76 auf, in welche ein erstes Dosierelement 50 zur Eindosierung eines Reduktionsmittels in die Abgasanlage 22 eingesetzt ist. Das gemeinsame Gehäuse 48 weist ferner eine zweite Öffnung 70 auf, welche stromabwärts des ersten Katalysators 30 und stromaufwärts der ersten Öffnung 76 ausgebildet ist. In die zweite Öffnung 70 ist eine Abgasrückführungsleitung 64 einer Niederdruck-Abgasrückführung 66 eingesetzt, welche die Abgasanlage 22 mit einem nicht dargestellten Ansaugkanal stromaufwärts eines Verdichters des Abgasturboladers 26 verbindet. Stromabwärts des ersten Katalysators 30 und stromaufwärts des ersten SCR-Katalysators 36 zweigt an einer Verzweigung 62 eine Abgasrückführungsleitung 64 einer Niederdruck-Abgasrückführung 66 aus dem Abgaskanal 24 der Abgasanlage 22 ab, welche die Abgasanlage 22 mit einem nicht dargestellten Ansaugkanal stromaufwärts eines Verdichters des Abgasturboladers 26 verbindet. In der Abgasrückführungsleitung 64 sind ein Abgasrückführungsventil 82 und ein Abgasrückführungskühler 84 angeordnet. Stromabwärts der Verzweigung 62 ist in dem Abgaskanal 24 eine Abgasklappe 88 angeordnet, mit welcher der Abgaskanal 24 zumindest teilweise versperrt werden kann, um den Abgasgegendruck zu erhöhen und den Abgasstrom durch die Niederdruck-Abgasrückführung 66 zu steuern.
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Stromabwärts des motornahen ersten SCR-Katalysators 36 und beabstandet von diesem ist in der Abgasanlage 22 ein zweiter SCR-Katalysator 38 vorgesehen, welcher vorzugsweise in einer Unterbodenposition eines Kraftfahrzeuges angeordnet ist. Dem zweiten SCR-Katalysator 38 ist ein Ammoniaksperrkatalysator 40 nachgeschaltet, um den Austritt von Ammoniak aus einem Endrohr der Abgasanlage 22 zu verhindern. Stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators 38 und stromabwärts des Ammoniaksperrkatalysators 40 ist in der Abgasanlage 22 ein Partikelfilter 42, insbesondere ein Dieselpartikelfilter, angeordnet, welcher frei von einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ausgeführt ist. Der Partikelfilter 42 kann eine Beschichtung zur Oxidation von unverbrannten Abgaskomponenten aufweisen. Stromabwärts des Ammoniaksperrkatalysators 40 und stromaufwärts des Partikelfilters 42 sind Heizmittel 54 vorgesehen, um den Partikelfilter 42 im Wesentlichen unabhängig vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 beheizen zu können. Die Heizmittel 54 umfassen einen Abgasbrenner 56, dessen heißes Gas an einer Einleitstelle 78 in die Abgasanlage 22 stromabwärts des Ammoniaksperrkatalysators 40 und stromaufwärts des Partikelfilters 42 eingeleitet werden kann.
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Stromabwärts des motornahen ersten SCR-Katalysators 36 und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 38 ist ein zweites Dosierelement 52 zur Eindosierung eines Reduktionsmittels, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung, in den Abgaskanal 24 der Abgasanlage 22 vorgesehen. Dem zweiten Dosierelement 52 kann ein Abgasmischer nachgeschaltet sein, um eine verbesserte Gleichverteilung zwischen dem Abgasstrom und dem eindosierten Reduktionsmittel vor dem Eintritt in den zweiten SCR-Katalysator zu erreichen.
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In 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 20 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichen Aufbau wie zu 1 ausgeführt, umfassen die Heizmittel 54 in diesem Ausführungsbeispiel ein elektrisches Heizelement 58, welches stromabwärts des Ammoniaksperrkatalysators 40 und stromaufwärts des Partikelfilters 42 in der Abgasanlage 22 angeordnet ist. Über das elektrische Heizelement 58 kann der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 vor Eintritt in den Partikelfilter 42 aufgeheizt werden, um eine Regeneration des Partikelfilters 42 einzuleiten.
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In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel für ein Abgasnachbehandlungssystem 20 für einen Verbrennungsmotor 10 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichen Aufbau wie zu 1 ausgeführt, ist in diesen Ausführungsbeispiel eine Verzweigungsstelle 62 für eine Niederdruck-Abgasrückführung 66 stromabwärts des ersten SCR-Katalysators 36 und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 38, insbesondere stromaufwärts des zweiten Dosierelements 52 ausgebildet. An der Verzweigungsstelle 62 zweigt eine Abgasrückführungsleitung 64 der Niederdruck-Abgasrückführung 66 aus dem Abgaskanal 24 der Abgasanlage 22 ab. Dem ersten SCR-Katalysator 36 ist in diesem Ausführungsbeispiel kein Ammoniaksperrkatalysator 40 nachgeschaltet.
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In 4 ist ein viertes Ausführungsbeispiel eines Abgasnachbehandlungssystems 20 für einen Verbrennungsmotor 10 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt ist in diesem Ausführungsbeispiel die Verzweigungsstelle 62 stromabwärts des Partikelfilters 42 in der Abgasanlage 22 angeordnet. An dieser Verzweigungsstelle 62 zweigt eine Abgasrückführungsleitung 64 einer Niederdruck-Abgasrückführung 66 aus dem Abgaskanal 24 des Verbrennungsmotors 10 ab.
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In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Abgasnachbehandlungssystems 20 für einen Verbrennungsmotor 10 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichen Aufbau wie zu 2 oder 4 ausgeführt, ist als externes Heizmittel 54 ein elektrisches Heizelement 58 vorgesehen, welches unmittelbar stromaufwärts des Partikelfilters 42 in der Abgasanlage 22 angeordnet ist. Stromabwärts des Partikelfilters 42 zweigt eine Abgasrückführungsleitung 64 einer Niederdruck-Abgasrückführung 66 aus dem Abgaskanal 24 des Verbrennungsmotors 10 ab.
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Bei dem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem 20 wird die Partikelfilterfunktion räumlich von der SCR-Funktion getrennt. Dies führt dazu, dass die SCR-Beschichtungen jeweils auf einem Substrat aufgetragen werden können, welches besser für die SCR Funktion geeignet ist als ein Partikelfilter 42 mit kombinierter SCR-Funktion. Dadurch kann die Light-Off-Temperatur schneller nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 erreicht und die Konvertierungsraten bezüglich der Stickoxidemissionen bei höherer Motorlast des Verbrennungsmotors 10 verbessert werden. Darüber hinaus ist die Alterung der SCR-Funktion deutlich reduziert, da die hohen Temperaturen während der Regeneration des Partikelfilters 42 sich nicht auf die SCR-Katalysatoren 36, 38 auswirken.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Brennraum
- 14
- Kraftstoffinjektor
- 16
- Einlass
- 18
- Auslass
- 20
- Abgasnachbehandlungssystem
- 22
- Abgasanlage
- 24
- Abgaskanal
- 26
- Abgasturbolader
- 28
- Turbine
- 30
- erster Katalysator
- 32
- Oxidationskatalysator
- 34
- NOx-Speicherkatalysator
- 36
- erster SCR-Katalysator
- 38
- zweiter SCR-Katalysator
- 40
- Ammoniak-Sperrkatalysator
- 42
- Partikelfilter
- 44
- Ammoniaksperrkatalysatorzone
- 46
- Oxidationsbeschichtung
- 48
- erstes Gehäuse
- 50
- erstes Dosierelement
- 52
- zweites Dosierelement
- 54
- Heizmittel
- 56
- Abgasbrenner
- 58
- elektrisches Heizelement
- 60
- elektrisches Heizelement
- 62
- Verzweigung
- 64
- Abgasrückführungsleitung
- 66
- Niederdruck-Abgasrückführung
- 68
- elektrisches Heizelement
- 70
- zweite Öffnung
- 72
- zweites Gehäuse
- 74
- Umlenkbereich
- 76
- erste Öffnung
- 78
- Einleitstelle
- 80
- Steuergerät
- 82
- Abgasrückführungsventil
- 84
- Abgasrückführungskühler
- 86
- passiver NOx-Adsorber
- 88
- Abgasklappe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7628008 B2 [0004]
- CA 2702246 A1 [0005]
- WO 2019/129369 A1 [0006]
