DE102020117418A1

DE102020117418A1 - Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors sowie Verbrennungsmotor mit Abgasnachbehandlungssystem

Info

Publication number: DE102020117418A1
Application number: DE102020117418.7A
Authority: DE
Inventors: Johannes Bunkus
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-07-02
Filing date: 2020-07-02
Publication date: 2022-01-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) mit einer Abgasanlage (40), in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors (10) durch einen Abgaskanal (42) der Abgasanlage (40) eine Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet ist. Von dem Abgaskanal (42) zweigt stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) und stromaufwärts einer Abgasklappe (78) an einer Verzweigung (76) ein Bypass (62, 86) ab, welcher stromabwärts der Abgasklappe (78) an einer Einmündung (92) wieder in den Abgaskanal (42) mündet. In dem Bypass (62) ist ein passiver NOx-Adsorber (88) angeordnet. Am Abgaskanal (42) ist ein Stellelement (78) vorgesehen, mit welchem der Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10) wahlweise durch einen Hauptkanal (94) des Abgaskanals (42) oder durch den Bypass (62) geleitet werden kann. Dabei wird der passive NOx-Adsorber in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors (10) mit Stickoxiden beladen und bei einsatzbereites Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) wieder regeneriert, indem die Stickoxide über die Niederdruck-Abgasrückführung (80) wieder den Brennräumen (12) des Verbrennungsmotors (10) zugeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, sowie einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem zur Durchführung eines solchen Verfahrens 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 Stickoxid-Emissionen 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.
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 - 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 DE 698 17 090 T2 offenbart ein Abgasnachbehandlungssystem mit einer Abgasanlage, welche einen Hauptkanal und einen Bypass aufweist, wobei der Bypass stromaufwärts eines De-NOx-Katalysators wieder in den Hauptkanal der Abgasanlage einmündet, wobei in dem Bypass ein NOx-Adsorber angeordnet ist. Dabei ist an der Verzweigung von dem Hauptkanal und dem Bypass ein Stellventil angeordnet, mit welchem der Gasstrom durch den Hauptkanal oder den Bypass geleitet werden kann. An dem NOx-Adsorber ist ein elektrisches Heizelement vorgesehen, mit welchem der NOx-Adsorber beheizt werden kann.
Aus der DE 197 40 702 C1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor bekannt. Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst eine Abgasanlage mit einer Hauptabgasleitung und einem Bypass, wobei in der Hauptabgasleitung eine Abgasklappe angeordnet ist, mit welcher ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors wahlweise durch die Hauptabgasleitung oder den Bypass geleitet werden kann. Dabei mündet der Bypass stromaufwärts eines SCR-Katalysators in die Hauptabgasleitung. In dem Bypass ist ein NOx-Speicherkatalysator angeordnet, welchem ein Hydrolysekatalysator vorgeschaltet ist, über welchen der NOx-Speicherkatalysator regeneriert werden kann.
JP 2008/215 203 A offenbart ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, mit einem NOx-Adsorber, welcher in einem Bypass des Haupabgaskanals angeordnet ist, wobei während der Aufwärmphase des Verbrennungsmotors die Abgase des Verbrennungsmotors durch diesen Bypass geleitet und die Stickoxide im passiven NOx-Adsorber eingelagert werden, wobei die Entleerung des passiven NOx-Adsorbers nach Abschluss der Aufwärmephase des Verbrennungsmotors über die Abgasrückführung erfolgt.
Aus der US 2010 / 043 410 A1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor bekannt, bei dem in einem Bypass zum Hauptabgaskanal eine Feuchtigkeitsadsorber und ein passiver NOx-Adsorber angeordnet sind. Dabei wird der passive NOx-Adsorber nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors mit Stickoxiden beladen, welche nach Erreichen einer Betriebstemperatur wieder über eine Abgasrückführung in den Ansaugtrakt des Verbrennungsmotor zurückgeführt werden. Dazu wird die Strömungsrichtung durch den Bypass zwischen der Beladungsphase und der Entleerungsphase des passiven NOx-Adsorbers umgekehrt, sodass während der Entleerung zuerst der passive NOx-Adsorber und anschließend der Feuchtigkeitsadsorber durchströmt werden.
Ferner ist aus dem Stand der Technik bekannt, eine oder mehrere Abgasnachbehandlungskomponenten stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers anzuordnen, um die vor der Turbine höhere Abgastemperatur für ein schnelleres Aufheizen auf die Light-Off-Temperatur dieser Abgasnachbehandlungskomponente zu nutzen. Ebenso bekannt sind Isolierungen zur Verminderung der Wärmeverluste an den Wänden der Abgasanlage. Alle diese Vorrichtungen benötigen einen gewissen Zeitraum bis zur Aktivierung. In diesem Zeitraum kann eine besonders schadstoffreiche Fahrweise bereits zu einem Überschreiten der zulässigen Emissionsgrenzwerte einer RDE-Fahrt (Real Driving Emissions) führen, sodass selbst bei einer anschließend 100 %-Konvertierungsrate der Gesamtfahrzyklus als „nicht bestanden“ gewertet werden müsste. Besonders kritisch sind hier die NOx-Emissionen zu bewerten, die mit steigender Fahrdynamik überproportional zunehmen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Abgasanlage des Verbrennungsmotors derart weiterzuentwickeln, dass eine verbesserte Abgasnachbehandlung möglich ist und insbesondere die Stickoxid-Emissionen nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors verringert werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einer Abgasanlage, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors durch einen Abgaskanal der Abgasanlage eine Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet ist. Stromabwärts dieser Abgasnachbehandlungskomponente zweigt an einer Verzweigung eine Abgasrückführungsleitung einer Niederdruck-Abgasrückführung aus dem Abgaskanal ab. Stromabwärts der Verzweigung ist ein Stellelement, insbesondere eine Abgasklappe, vorgesehen, mit welchem der Abgasstrom des Verbrennungsmotors wahlweise durch einen Hauptkanal des Abgaskanals oder durch die Niederdruck-Abgasrückführung geleitet werden kann. Dabei ist in einem ersten Leitungsabschnitt der Abgasrückführungsleitung ein passiver NOx-Adsorber angeordnet. Die Abgasrückführungsleitung der Niederdruck-Abgasrückführung weist stromabwärts des passiven NOx-Adsorbers eine weitere Verzweigung auf, an welcher eine Bypassleitung abzweigt. Die Bypassleitung verbindet die Abgasrückführungsleitung mit dem Abgaskanal stromabwärts des Stellelements. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

- Starten des Verbrennungsmotors, wobei der Abgasstrom des Verbrennungsmotors zumindest anteilig, vorzugsweise vollständig, durch einen Bypass zum Hauptkanal des Abgaskanals geleitet wird und die Stickoxide im passiven NOx-Adsorber eingespeichert werden,
- Ermitteln einer Abgastemperatur, wobei die Abgastemperatur mit einer Schwellentemperatur verglichen wird und bei einer Abgastemperatur oberhalb der Schwellentemperatur die Niederdruck-Abgasrückführung aktiviert wird, und
- Regenerieren des passiven NOx-Adsorbers durch eine thermische Desportion der eingespeicherten Stickoxide, indem die Bypassleitung geschlossen wird und die im passiven NOx-Adsorber eingespeicherten Stickoxide über die Niederdruck-Abgasrückführung wieder den Brennräumen des Verbrennungsmotors zugeführt werden.

Dabei kann die Aufteilung des Abgasstroms zwischen dem Bypass und dem Hauptkanal durch das Stellelement auch anteilig erfolgen. Der Anteil des Abgasstroms über den NOx-Adsorber richtet sich dabei nach der Differenz aus dem möglichen Stickoxid-Umsatzes eines nachgeschalteten SCR-Systems und des aktuellen Rohemissions-NOx-Niveaus des Verbrennungsmotors.
Durch ein solches Verfahren können die Stickoxidemissionen in der Kaltstartphase gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen verringert werden. Dabei werden die Stickoxidemissionen in einer ersten Phase nach dem Kaltstart des Verbrennungsmotors in dem passiven NOx-Adsorber eingelagert. Der passive NOx-Adsorber speichert Stickoxide in einem Temperaturbereich von 80°C bis etwa 200°C ein und setzt sie oberhalb dieser Temperatur wieder frei. Somit können die in der Kaltstartphase entstehenden Stickoxide zwischengespeichert werden, bis der SCR-Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat und eine Konvertierung von Stickoxiden durch eine selektive, katalytische Reduktion ermöglicht. Unter einer Betriebstemperatur des SCR-Katalysators ist in diesem Zusammenhang der Temperaturbereich zu verstehen, in welchem eine effiziente Konvertierung der Stickoxide mittels selektiver katalytischer Reduktion möglich ist. Dieser Temperaturbereich liegt bei bekannten SCR-Katalysatoren im Bereich von 200°C - 380°C. Im Anschluss an die Kaltstartphase erfolgt die Abgasnachbehandlung in bekannter Weise vorzugsweise über eine oder mehrere Abgasnachbehandlungskomponente(n) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere durch einen Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung und einen nachgeschalteten SCR-Katalysator.
Der passive NOx-Adsorber kann bereits sehr zeitnah nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors eine gute, jedoch nur temporäre NOx-Minderung ermöglichen. Durch die Kombination mit einem Partikelfilter mit SCR-Beschichtung oder einem SCR-Katalysator, welcher während der Kaltstartphase auf seine Light-Off-Temperatur aufgeheizt wird und diese erreicht, bevor es zu einer Desorption der Stickoxide aus dem passiven NOx-Adsorber kommt, können die Stickoxidemissionen in der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors deutlich verringert werden. Durch die Position des passiven NOx-Adsorbers in der Niederdruck-Abgasrückführung wird sichergestellt, dass der passive NOx-Adsorber nach der Kaltstartphase aus dem Abgasstrom zumindest teilweise entkoppelt werden kann bzw. durch eine gezielte Ansteuerung regeneriert werden kann, sodass der passive NOx-Adsorber bei einem erneuten Startvorgang im Wesentlichen vollständig entleert ist und eine hinreichende Menge an Stickoxiden einspeichern kann. Durch die Entleerung des passiven NOx-Adsorbers über die Niederdruck-Abgasrückführung wird zudem sichergestellt, dass die Emissionen nicht unkonvertiert in den Umwelt emittiert werden. Zudem kann eine weitere Abgasnachbehandlungskomponente zur Konvertierung der Stickoxidemissionen stromabwärts der Einmündung des Bypasses in den Abgaskanal entfallen, da die Regeneration das passiven NOx-Adsorbers nicht über den Bypass, sondern über die Niederdruck-Abgasrückführung erfolgt.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Merkmale sind vorteilhafte Weiterentwicklungen und nicht triviale Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung möglich.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens zur Abgasnachbehandlung ist vorgesehen, dass die Niederdruck-Abgasrückführung erst dann freigegeben wird, wenn die motornahe Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ihre Light-Off-Temperatur erreicht hat. Dadurch ist sichergestellt, dass die Stickoxide entweder im passiven NOx-Adsorber eingespeichert oder durch die Abgasnachbehandlungskomponente konvertiert werden, sodass die in die Umwelt emittierte Stickoxidemission minimiert werden kann.
Bevorzugt ist dabei, wenn der Schwellenwert der Abgastemperatur im Bereich von 150°C - 250°C, vorzugsweise im Bereich von 180°C - 220°C liegt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden bereits ihre Light-Off-Temperatur erreicht hat und eine effiziente Konvertierung von Stickoxiden möglich ist, bevor sich die Stickoxide aufgrund von thermischer Desorption aus dem passiven NOx-Adsorber lösen. Somit ist zu jedem Zeitpunkt gewährleistet, dass die Stickoxide entweder eingespeichert oder konvertiert werden, sodass die Stickoxide nicht unkonvertiert die Abgasanlage verlassen und in die Umwelt emittiert werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass Reduktionsmittel stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponenten zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden in den Abgaskanal eindosiert wird, wenn die Abgastemperatur die Schwellentemperatur überschritten hat. Um eine effiziente Konvertierung von Stickoxiden zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn zeitgleich mit der Freigabe der Niederdruck-Abgasrückführung die Eindosierung des Reduktionsmittels freigegeben wird, um die Stickoxide im Abgasstrom durch selektive, katalytische Reduktion zu konvertieren. Dabei werden sowohl die Stickoxide, welcher über die Niederdruck-Abgasrückführung zurückgeführt wurden, als auch die bei der Verbrennung entstehenden Stickoxide konvertiert.
Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einer Abgasanlage, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors durch einen Abgaskanal der Abgasanlage eine Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet ist. Stromabwärts dieser Abgasnachbehandlungskomponente zweigt an einer Verzweigung eine Abgasrückführungsleitung einer Niederdruck-Abgasrückführung aus dem Abgaskanal ab. Stromabwärts der Verzweigung ist ein Stellelement, insbesondere eine Abgasklappe, vorgesehen, mit welchem der Abgasstrom des Verbrennungsmotors wahlweise durch einen Hauptkanal des Abgaskanals oder durch die Niederdruck-Abgasrückführung geleitet werden kann. Dabei ist in einem ersten Leitungsabschnitt der Abgasrückführungsleitung ein passiver NOx-Adsorber angeordnet. Die Abgasrückführungsleitung der Niederdruck-Abgasrückführung weist stromabwärts des passiven NOx-Adsorbers eine weitere Verzweigung auf, an welcher eine Bypassleitung abzweigt. Die Bypassleitung verbindet die Abgasrückführungsleitung mit dem Abgaskanal stromabwärts des Stellelements und mündet an einer Einmündung wieder in den Abgaskanal. Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst ferner ein Steuergerät, welches dazu eingerichtet ist, ein solches Verfahren durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Steuergerät ausgeführt wird.
Unter einem passiven NOx-Adsorber ist in diesem Zusammenhang ein Speicherkatalysator zu verstehen, welcher in einem Temperaturbereich von 80°C - 200°C eine hohe NOx-Speicherfähigkeit aufweist, jedoch bei höheren Temperaturen die eingelagerten Stickoxide wieder unkonvertiert emittiert. Ein solcher passiver NOx-Adsorber kann daher bereits sehr zeitnah nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors eine gute, jedoch nur temporäre NOx-Minderung ermöglichen. Durch die Kombination mit einem Partikelfilter mit SCR-Beschichtung oder einem SCR-Katalysator, welcher während der Kaltstartphase auf seine Light-Off-Temperatur aufgeheizt wird und diese erreicht, bevor es zu einer Desorption der Stickoxide aus dem passiven NOx-Adsorber kommt, können die Stickoxidemissionen in der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors deutlich verringert werden. Ferner wird der passive NOx-Adsorber bei höheren Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen oberhalb der Desorptionstemperatur der im passiven NOx-Adsorber eingespeicherten Stickoxide, durch die Anordnung in der Niederdruck-Abgasrückführung zumindest teilweise aus dem Abgasstrom entkoppelt, um eine thermische Alterung des passiven NOx-Adsorbers zu verringern und/oder den Strömungswiderstand in der Abgasanlage zu reduzieren. Ferner kann durch eine Anordnung des passiven NOx-Adsorbers in der Niederdruckabgasrückführung der Bauraum optimal genutzt werden. Zudem kann die Anzahl an zusätzlichen Bauteilen verringert werden, wodurch sich die Mehrkosten reduzieren lassen. Durch eine Reduzierung der NOx-Emissionen im zurückgeführten Abgasstrom des Verbrennungsmotors können zudem die Rohemissionen des Verbrennungsmotors verringert werden, wodurch die Endrohremissionen insbesondere in der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors minimiert werden können.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn in der Abgasrückführungsleitung stromabwärts des passiven NOx-Adsorbers und stromaufwärts der weiteren Verzweigung eine Einrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung, insbesondere ein Abgasrückführungskühler der Niederdruck-Abgasrückführung, angeordnet ist. Dabei kann das Kühlmittel des Verbrennungsmotors durch das durch den Abgasrückführungskühler strömende Abgas schneller erwärmt werden, wodurch die Reibung des Verbrennungsmotors verringert werden kann. Dies führt zu einem Verbrauchsvorteil und geringeren Rohemissionen in der Kaltstartphase.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass das Abgasnachbehandlungssystem eine motornahe erste Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden und eine stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente angeordnete zwei Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden aufweist, wobei der Bypass stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente aus dem Abgaskanal abzweigt und stromaufwärts der zwei Abgasnachbehandlungskomponente wieder in den Abgaskanal einmündet. Da sich die motornahe Abgasnachbehandlungskomponente schneller aufheizt als die motorferne zweite Abgasnachbehandlungskomponente, kann die erste Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen Reduktion ihre Betriebstemperatur erreichen, bevor es zu einer signifikanten Desorption von Stickoxiden aus dem passiven NOx-Adsorber kommt. Somit ist stets mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente zur Minderung der Stickoxidemissionen aktiv, wodurch die Kaltstartemissionen weiter verringert werden können.
In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass stromabwärts ein Auslass des Verbrennungsmotors und stromaufwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ein erstes Dosierelement und stromabwärts der Einmündung und stromaufwärts der zwei Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ein zweites Dosierelement angeordnet ist. Dadurch kann der Betriebsbereich des Abgasnachbehandlungssystems erweitert werden, sodass auch in einem Hochlast- oder Volllastbereich zumindest eine Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden in einem zur Konvertierung der Stickoxide idealen Temperaturbereich betrieben wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass die motornahe erste Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ein Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion (SCR-Beschichtung) und die zweiten Abgasnachbehandlungskomponente ein SCR-Katalysator ist. Dadurch können die Partikel aus dem Abgasstrom entfernt werden, bevor der Abgasstrom den passiven NOx-Adsorber durchströmt. Dadurch kann verhindert werden, dass sich die Rußpartikel an der Oberfläche des passiven NOx-Adsorbers ablagern und somit die Wirksamkeit und/oder Speicherkapazität des passiven NOx-Adsorbers reduzieren.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass der in Strömungsrichtung letzten Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ein Sperrkatalysator nachgeschaltet ist. Dadurch kann verhindert werden, dass unverbrauchtes Ammoniak in die Umwelt emittiert wird.
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 Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigen:

1 einen Verbrennungsmotor mit einem Luftversorgungssystem und einer Abgasanlage mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem;
2 das Abgasnachbehandlungssystem aus 1 in einem ersten Betriebszustand, in welchem der passive NOx-Adsorber mit Stickoxiden beladen wird; und
3 das Abgasnachbehandlungssystem aus 1 in einem zweiten Betriebszustand, in welchem der passive NOx-Adsorber regeneriert wird.

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 Hochdruck-Abgasrückführung 30 mit einer Abgasrückführungsleitung 36 und einem Hochdruck-Abgasrückführungsventil 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 60, 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 Niederdruck-Abgasrückführung 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 44 des Abgasturboladers 60 angeordnet ist, welche den Verdichter 26 im Luftversorgungssystem 20 über eine Welle antreibt. Der Abgasturbolader 60 ist vorzugsweise als Abgasturbolader 60 mit variabler Turbinengeometrie ausgeführt. Dazu sind einem Turbinenrad der Turbine 44 verstellbare Leitschaufeln vorgeschaltet, über welche die Anströmung des Abgases auf die Schaufeln der Turbine 44 variiert werden kann. Stromabwärts der Turbine 44 sind mehrere Abgasnachbehandlungskomponenten 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58 vorgesehen. Dabei ist unmittelbar stromabwärts der Turbine 44 als erste Komponente der Abgasnachbehandlung ein erster Katalysator 46, insbesondere ein NOx-Speicherkatalysator 48 oder ein Oxidationskatalysator 40 angeordnet. Stromabwärts des ersten Katalysators 46 ist ein Partikelfilter 52 mit einer Beschichtung 54 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 52 ist ein weiterer SCR-Katalysator 56 angeordnet, welchem ein Sperrkatalysator 58 nachgeschaltet ist. Stromabwärts des Partikelfilters 52 ist in dem Abgaskanal 42 eine Abgasklappe 78 vorgesehen, mit welcher der Querschnitt des Abgaskanals 42 zumindest teilweise versperrt werden kann, um den Abgasgegendruck im Abgaskanal 42 zu erhöhen. Stromabwärts des Partikelfilters 52 und stromaufwärts der Abgasklappe 78 ist am Abgaskanal 42 eine Verzweigung 76 vorgesehen, an welcher eine Abgasrückführungsleitung 86 einer Niederdruck-Abgasrückführung 80 aus dem Abgaskanal 42 abzweigt.
Die Niederdruck-Abgasrückführung 80 umfasst neben der Abgasrückführungsleitung 86 einen Niederdruck-Abgasrückführungskühler 82 und ein Abgasrückführungsventil 84, über welches die Abgasrückführung durch die Abgasrückführungsleitung 86 steuerbar ist. Ferner ist in der Niederdruck-Abgasrückführung 80 stromabwärts der Verzweigung 76 und stromaufwärts des Abgasrückführungskühlers 82 ein passiver NOx-Adsorber 88 angeordnet. Stromabwärts des Abgasrückführungskühlers 82 ist an der Abgasrückführungsleitung 86 eine weitere Verzweigung 74 ausgebildet, an welcher ein Bypassleitung 62 aus der Abgasrückführungsleitung 86 abzweigt, welcher den Abgasrückführungskanal 86 mit dem Abgaskanal 42 stromabwärts der Abgasklappe 78 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 56 verbindet. Alternativ zu dem Abgasrückführungskühler 82 kann auch eine andere Einrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung 96 in oder an dem Abgasrückführungskanal 96 der Niederdruck-Abgasrückführung 80 angeordnet sein.
In der Bypassleitung 62 ist ein Steuerelement 64 angeordnet, mit welchem der Bypass 62, 86 geöffnet und verschlossen werden kann. An der Abgasrückführungsleitung 86 der Niederdruck-Abgasrückführung 80 ist ein Temperatursensor 70 vorgesehen, über welchen eine Abgastemperatur in der Niederdruck-Abgasrückführung 80 ermittelt werden kann, um die Niederdruck-Abgasrückführung 80 zu aktivieren, sobald die Abgastemperatur in der Niederdruck-Abgasrückführung 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 Niederdruck-Abgasrückführung 80 oder im Luftversorgungssystem 20 zu Beschädigungen oder Ablagerungen führt.
In dem Abgaskanal 42 ist, vorzugsweise an einer der Abgasnachbehandlungskomponenten 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, insbesondere am Partikelfilter 52 oder am SCR-Katalysator 56, ein Temperatursensor 70 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 72 vorgesehen, um eine Druckdifferenz über den Partikelfilter 52 zu bestimmen. Auf diese Weise kann der Beladungszustand des Partikelfilters 52 ermittelt und bei Überschreiten eines definierten Beladungsniveaus eine Regeneration des Partikelfilters 52 eingeleitet werden. Ferner ist am Abgaskanal 42 mindestens ein Dosiermodul 66, 68 vorgesehen, um ein Reduktionsmittel, insbesondere wässrige Harnstofflösung, stromaufwärts des SCR-Katalysators 56 und/oder stromaufwärts des Partikelfilters 52 in den Abgaskanal 42 zu dosieren. Vorzugsweise sind zwei Dosierelemente 66, 68 vorgesehen, wobei das erste Dosierelement 66 stromabwärts des ersten Katalysators 46 und stromaufwärts des Partikelfilters 52 und das zweite Dosierelement 68 stromabwärts der Abgasklappe 78 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 56 angeordnet ist. Jedem Dosierelement 66, 68 kann ein Abgasmischer 98 nachgeschaltet sein, um eine verbesserte Durchmischung des Abgasstroms mit dem Reduktionsmittel zu erzielen.
Der Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Motorsteuergerät 90 verbunden, welches über nicht dargestellte Signalleitungen mit den Druck- und Temperatursensoren 70, 72 sowie mit den Kraftstoffinjektoren 14 des Verbrennungsmotors 10 und den Steuereinrichtungen 24, 38, 64, 66, 68, 78, 84 des Luftversorgungssystems 20 sowie der Abgasanlage 40 verbunden ist.
In 2 ist das in 1 dargestellte Abgasnachbehandlungssystem in einem ersten Betriebszustand bei kalter Abgasanlage dargestellt, in welcher die Abgasnachbehandlungskomponenten 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58 noch nicht ihre Betriebstemperatur erreicht haben und nicht zu einer effizienten Konvertierung der Schadstoffe beitragen können. Dabei wird in dem ersten Betriebszustand die Abgasklappe 78 geschlossen, sodass der gesamte Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 durch den Bypass 62, 86 geleitet wird, wobei die Stickoxidemissionen in dem passiven NOx-Adsorber 88 eingespeichert werden. Der Bypass umfasst den ersten Abschnitt der Abgasrückführungsleitung 86 von der ersten Verzweigung 76 bis zur weiteren Verzweigung 74 sowie eine Bypassleitung 62, welche die weitere Verzweigung 74 mit der Einmündung 92 in den Abgaskanal 42 verbindet. In dem ersten Betriebszustand sind die Steuerklappe 78 sowie das Abgasrückführungsventil 84 der Niederdruck-Abgasrückführung 80 geschlossen und das Steuerelement 64 im Bypass 62 geöffnet. Zudem wird der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgasrückführungskühler 82 in der Niederdruck-Abgasrückführung 80 geleitet, wobei die Wärme des Abgasstroms auf das Kühlwasser des Verbrennungsmotors 10 übertragen wird. Dadurch kann das Aufheizen des Kühlwassers beschleunigt werden, wodurch die Reibung im Verbrennungsmotor 10 minimiert wird und somit die Rohemissionen und der Verbrauch reduziert werden können.
In 3 ist ein zweiter Betriebszustand des Abgasnachbehandlungssystems dargestellt, welcher sich an den ersten Betriebszustand anschließt, wenn die Abgastemperatur einen ersten Schwellenwert T_EGS überschritten hat, ab welchem die Niederdruck-Abgasrückführung 80 aktiviert wird und zumindest eine Abgasnachbehandlungskomponente 52, 54, 56 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ihre Light-Off-Temperatur T_LO erreicht hat. Idealerweise erfolgt die Freigabe der Niederdruck-Abgasrückführung 80 vor dem Erreichen des maximalen Stickoxid-Füllstands des passiven NOx-Adsorbers 88. Ist die Niederdruck-Abgasrückführung 80 freigegeben und überschreitet der passive NOx-Adsorber 88 eine Schwellentemperatur, ab welcher die im passiven NOx-Adsorber 88 eingespeicherten Stickoxide thermisch desorbieren, so werden diese Stickoxide über die Niederdruck-Abgasrückführung 80 wieder den Brennräumen 12 des Verbtrennungsmotors 10 zugeführt. In diesem zweiten Betriebszustand wird die Bypassleitung 62 durch das Steuerelement 64 geschlossen. Die Abgasklappe 78 sowie das Abgasrückführungsventil 84 werden geöffnet, sodass ein Teilstrom des Abgasstroms über die Niederdruck-Abgasrückführung 80 zurückgeführt wird und der Hauptstrom durch den Hauptkanal 94 geführt wird. Durch die thermische Desorption der Stickoxide wird der passive NOx-Adsorber 88 regeneriert, sodass er bei einem erneuten Start des Verbrennungsmotors 10 im Wesentlichen entleert ist und wieder seine volle Speicherkapazität für Stickoxide aufweist.
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: Abgasrückführungskanal
38: Hochdruck-Abgasrückführungs-Ventil
40: Abgasanlage
42: Abgaskanal
44: Turbine
46: erster Katalysator
48: NOx-Speicherkatalysator
50: Oxidationskatalysator
52: Partikelfilter
54: SCR-Beschichtung
56: SCR-Katalysator
58: Sperrkatalysator
60: Abgasturbolader
62: Bypassleitung
64: Steuerelement
66: erstes Dosierelement
68: zweites Dosierelement
70: Temperatursensor
72: Differenzdrucksensoren
74: weitere Verzweigung
76: Verzweigung
78: Abgasklappe
80: Niederdruck-Abgasrückführung
82: Niederdruck-Abgasrückführungskühler
84: Abgasrückführungsventil
86: Abgasrückführungsleitung
88: passiver NOx-Adsorber
90: Steuergerät
92: Einmündung
94: Hauptkanal
96: Einrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung
98: Abgasmischer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69817090 T2 [0005]
DE 19740702 C1 [0006]
JP 2008215203 A [0007]
US 2010/043410 A1 [0008]

Claims

Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) mit einer Abgasanlage (40), in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors (10) durch einen Abgaskanal (42) der Abgasanlage (40) eine Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet ist, wobei aus dem Abgaskanal (42) stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) an einer Verzweigung (76) eine Abgasrückführungsleitung (86) einer Niederdruck-Abgasrückführung (80) abzweigt, wobei stromabwärts der Verzweigung (76) ein Stellelement (78) vorgesehen ist, mit welchem der Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10) wahlweise durch einen Hauptkanal (94) des Abgaskanals (42) oder die Niederdruck-Abgasrückführung geleitet werden kann, wobei in einem ersten Leitungsabschnitt der Abgasrückführungsleitung (86) ein passiver NOx-Adsorber (88) angeordnet ist, und wobei die Abgasrückführungsleitung (86) stromabwärts des passiven NOx-Adsorbers (88) eine weitere Verzweigung (74) aufweist, an welcher eine Bypassleitung (62) abzweigt, welche die Abgasrückführungsleitung (86) mit dem Abgaskanal (42) stromabwärts des Stellelements (78) verbindet, umfassend folgende Schritte: - Starten des Verbrennungsmotors (10), wobei der Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10) zumindest anteilig durch einen Bypass (62, 86) zum Hauptkanal (94) geleitet wird und Stickoxide in dem passiven NOx-Adsorber (88) gespeichert werden, - Ermitteln einer Abgastemperatur (T_EG), wobei die Abgastemperatur (T_EG) mit einer Schwellentemperatur (T_EGS) verglichen wird und bei einer Abgastemperatur (T_EG) oberhalb der Schwellentemperatur (T_EGS) die Niederdruck-Abgasrückführung (80) aktiviert wird, und - Regenerieren des passiven NOx-Adsorbers (88) durch thermische Desorption, indem die Bypassleitung (62) geschlossen wird und die im NOx-Adsorber (88) eingespeicherten Stickoxide über die Niederdruck-Abgasrückführung (80) wieder den Brennräumen (12) des Verbrennungsmotors (10) zugeführt werden.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruck-Abgasrückführung (80) erst dann freigegeben wird, wenn die Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ihre Light-Off-Temperatur erreicht hat.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert (T_EGS) der Abgastemperatur (T_EG) im Bereich von 150°C bis 250°C liegt.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Reduktionsmittel stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden in den Abgaskanal (42) eindosiert wird, wenn die Abgastemperatur (T_EG) die Schwellentemperatur (T_EGS) überschritten hat.
Abgasnachbehandlungssystem zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) mit einer Abgasanlage (40), in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors (10) durch einen Abgaskanal (42) der Abgasanlage (40) eine Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet ist, wobei aus dem Abgaskanal (42) stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) an einer Verzweigung (76) eine Abgasrückführungsleitung (86) einer Niederdruck-Abgasrückführung (80) abzweigt, wobei stromabwärts der Verzweigung (76) ein Stellelement (78) vorgesehen ist, mit welchem der Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10) wahlweise durch einen Hauptkanal (94) des Abgaskanals (42) oder die Niederdruck-Abgasrückführung geleitet werden kann, wobei in einem ersten Leitungsabschnitt der Abgasrückführungsleitung (86) ein passiver NOx-Adsorber (88) angeordnet ist, und wobei die Abgasrückführungsleitung (86) stromabwärts des passiven NOx-Adsorbers (88) eine weitere Verzweigung (74) aufweist, an welcher eine Bypassleitung (62) abzweigt, welche die Abgasrückführungsleitung (86) mit dem Abgaskanal (42) stromabwärts des Stellelements (78) verbindet und an einer Einmündung (92) wieder in den Abgaskanal (42) mündet, sowie mit einem Steuergerät (90), welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Steuergerät ausgeführt wird.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasrückführungsleitung (86) stromabwärts des passiven NOx-Adsorbers (88) und stromaufwärts der weiteren Verzweigung (74) eine Einrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung (82, 96) angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasnachbehandlungssystem eine motornahe erste Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden und eine stromabwärts der motornahen ersten Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) angeordnete zweite Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden aufweist, wobei die Abgasrückführungsleitung (86) stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) aus dem Abgaskanal (42) abzweigt und die Bypassleitung (62) stromaufwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) wieder in den Abgaskanal (42) einmündet.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts eines Auslasses (18) des Verbrennungsmotors (10) und stromaufwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ein erstes Dosierelement (66) und stromabwärts der Einmündung (92) und stromaufwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ein zweites Dosierelement (52, 54, 56) angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die motornahe erste Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ein Partikelfilter (52) mit einer SCR-Beschichtung (54) und die zweite Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) ein SCR-Katalysator (56) ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der in Strömungsrichtung letzten Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ein Sperrkatalysator (58) nachgeschaltet ist.