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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.
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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 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.
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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.
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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, jedoch niemals auf Null abgesenkt werden.
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Um zukünftigen Herausforderungen bezüglich noch geringerer Grenzwerte über den gesamten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors (Real-Driving-Emissions (RDE)) gewachsen zu sein, ist ein Abgasnachbehandlungssystem erforderlich, das zum einen den Bereich der maximalen Wirksamkeit unter kalten Motorbedingungen schnell erreicht, zum anderen aber auch bei heißen Motorbedingungen, beispielsweise bei einer Regeneration des Partikelfilters oder längerem Hochlastbetrieb eine hocheffiziente Konvertierung der Stickoxidemissionen ermöglicht. Dabei wird bei der Auslegung des Abgasnachbehandlungssystems ein Kompromiss bei dem Volumen der SCR-Katalysatoren angestrebt. Zum einen soll ein motornaher SCR-Katalysator nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors möglichst schnell auf seine Light-Off-Temperatur aufheizen, zum anderen soll ein hinreichendes Katalysatorvolumen bereitgestellt werden, um auch bei hohen Abgasvolumina eine effiziente Konvertierung der Stickoxide zu ermöglichen. Zudem soll das Volumen des SCR-Katalysators so groß gewählt werden, dass der SCR-Katalysator auch bei heißem Abgasstrom in seinem zur Konvertierung der Stickoxide effizienten Arbeitsfenster verbleibt. Für einen SCR-Katalysator in Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges sind auch die verwendeten Rohrlängen der Abgasanlage von Bedeutung, da über die Oberfläche des Abgaskanals Wärme an die Umgebung abgegeben wird und mit steigender Rohrlänge die Temperatur des SCR-Katalysators abnimmt.
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Die
DE 10 2011 082 997 B4 offenbart eine Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor, insbesondere eines Landfahrzeugs oder einer Maschine, mit wenigstens einem Abgasstrang zum Abführen von Abgas von dem Verbrennungsmotor. In dem jeweiligen Abgasstrang ist eine Katalysatoranordnung angeordnet, die zumindest zwei in Reihe angeordnete Katalysatoren aufweist, nämlich wenigstens einen Niedertemperatur-Katalysator und wenigstens einen Hochtemperatur-Katalysator, die vom selben Katalysatortyp sind und sich durch unterschiedliche Betriebstemperaturfenster voneinander unterscheiden. Der Abgasstrang weist eine ansteuerbare Schalteinrichtung auf, die zumindest zwischen einer Niedertemperatur-Stellung, in welcher die Katalysatoranordnung mit einer Niedertemperatur-Strömungsrichtung vom Abgas durchströmbar ist, in welcher ein solcher Niedertemperatur-Katalysator zuerst angeströmt wird, und einer Hochtemperatur-Stellung, in welcher die Katalysatoranordnung mit einer Hochtemperatur-Strömungsrichtung vom Abgas durchströmbar ist, in welcher ein solcher Hochtemperatur-Katalysator zuerst angeströmt wird, umschaltbar ist.
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Die
DE 199 57 539 A1 offenbart eine Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor mit zwei parallelen Abgaspfaden, zwischen denen mittels eines Ventils umgeschaltet werden kann, wobei in den beiden Abgaspfaden jeweils ein Katalysator zur Verringerung der Stickoxidemissionen angeordnet ist. Dabei sind die beiden Katalysatoren für unterschiedliche Abgastemperaturen optimiert, sodass der Abgasstrom wahlweise durch den einen Abgaskanal oder den anderen Abgaskanal geleitet wird, um eine möglichst effiziente Konvertierung der Stickoxidemissionen zu erreichen.
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Aus der
DE 10 2018 104 151 A1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor bekannt. Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst eine Abgasanlage, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors durch die Abgasanlage ein motornaher erster Katalysator, insbesondere ein Diesel-Oxidationskatalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator, angeordnet ist. Stromabwärts des motornahen ersten Katalysators ist ein erster SCR-Katalysator, vorzugsweise ein Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet. Stromabwärts des ersten SCR-Katalysators ist mindestens ein weiterer SCR-Katalysator in der Abgasanlage angeordnet, wobei jedem der SCR-Katalysatoren ein Dosierelement zur Eindosierung einer wässrigen Harnstofflösung zugeordnet ist. Stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors und stromaufwärts des motornahen ersten Katalysators ist an der Abgasanlage ein schaltbarer Bypass vorgesehen, in welchem ein Bypass-Katalysator angeordnet ist. Der Bypass-Katalysator wird in einem ersten Betriebszustand des Verbrennungsmotors, insbesondere in einer Kaltstartphase, von dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors durchströmt und ist in einem zweiten Betriebszustand von dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors entkoppelt.
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WO 2019/115187 A1 offenbart ein Abgasnachbehandlungssystem zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden mit mehreren SCR-Katalysatoren. Das Abgasnachbehandlungssystem kann sowohl Stickoxide in einem großen Temperaturbereich reduzieren als auch Schwefeloxide einspeichern. Dabei umfasst das Abgasnachbehandlungssystem einen Hochtemperatur-SCR-Katalysator, welcher Stickoxide in einem Temperaturbereich von 250°C bis 750°C konvertieren kann und einen stromabwärts des Hochtemperatur-SCR-Katalysators angeordneten Tieftemperatur-SCR-Katalysator, welcher Stickoxide in einem Temperaturbereich von 60°C bis 250°C einspeichern kann. Zudem kann der Tieftemperatur-SCR-Katalysator Schwefeloxide speichern.
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Aus
DE 10 2018 102 490 A1 ist eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors bekannt, wobei in einer Abgasanlage des Verbrennungsmotors ein erster, motornaher SCR-Katalysator und ein zweiter, motorferner SCR-Katalysator angeordnet sind. Dabei ist jedem der SCR-Katalysatoren ein Dosiermodul zugeordnet, mit dem ein Reduktionsmittel zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere wässrige Harnstofflösung, in die Abgasanlage jeweils stromaufwärts des jeweiligen SCR-Katalysators eindosiert werden kann. Dabei erfolgt die Eindosierung jeweils durch das Dosiermodul, dessen zugeordneter SCR-Katalysator die günstigsten Bedingungen für eine möglichst effiziente Konvertierung von Stickoxiden aufweist.
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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.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Stickoxidemissionen eines Verbrennungsmotors über den gesamten Betriebsbereich weiter zu verringern und die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, umfassend eine Abgasanlage mit einem Abgaskanal, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors durch den Abgaskanal eine motornahe erste Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet ist, gelöst. Stromabwärts der motornahen ersten Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ist eine zweite Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass sich der Abgaskanal stromabwärts der motornahen ersten Abgasnachbehandlungskomponente an einer Verzweigung in einen Hauptkanal und einen Bypass verzweigt, wobei in dem Bypass eine dritte Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet ist, und wobei in dem Hauptkanal ein Steuerelement angeordnet ist, mit welchem der Abgasstrom des Verbrennungsmotors wahlweise durch den Hauptkanal, durch den Bypass oder anteilig durch den Hauptkanal und den Bypass geleitet werden kann.
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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 die Stickoxidemissionen des Verbrennungsmotors über den gesamten Betriebsbereich und unter Real-Driving-Emission verringert werden. Durch den Bypass können zwei unterschiedlich lange Abgaskanalsegmente dargestellt werden, wodurch ein entsprechend hoher oder niedriger Wärmeverlust über die Wand des Abgaskanals vor Eintritt in die zweite oder dritte Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden realisiert werden kann. Dadurch kann der Funktionsbereich des Verbrennungsmotors erweitert werden und insbesondere bei Hochlast- oder Volllastbetrieb oder bei einer Regeneration des Partikelfilters dafür gesorgt werden, dass die Abgastemperatur vor Eintritt in die letzte Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden eine Schwellentemperatur nicht überschreitet, ab welcher eine Konvertierung von Stickoxiden eingeschränkt ist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Bypass stromaufwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden an einer Einmündung wieder in den Hauptkanal der Abgasanlage einmündet. Durch die Anordnung einer zusätzlichen Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden im Bypass und einer Einmündung des Bypasses stromaufwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente kann die zweite Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden kleiner als bei aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ausgeführt werden, wodurch sich diese schneller auf ihre Light-Off-Temperatur aufheizt und somit die Kaltstartemissionen verringert werden können. Zudem kann das katalytisch wirksame Gesamtvolumen durch drei in Reihe geschaltete Abgasnachbehandlungskomponenten vergrößert werden, sodass insbesondere bei hohen Abgasvolumina eine effiziente Konvertierung von Stickoxiden möglich ist. Ferner ermöglicht die Anordnung der drei Abgasnachbehandlungskomponenten zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden einen größeren Betriebsbereich des Verbrennungsmotors, in welchem zumindest eine der drei Abgasnachbehandlungskomponenten in einem zur Konvertierung von Stickoxiden optimalen Temperaturbereich betrieben werden kann.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Merkmale sind vorteilhafte Weiterentwicklungen und nicht triviale Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Abgasnachbehandlungssystems möglich.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Abgasanlage ist vorgesehen, dass stromaufwärts der motornahen ersten Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ein erstes Dosierelement und stromabwärts der motornahen ersten Abgasnachbehandlungskomponente sowie stromaufwärts der Verzweigung ein zweites Dosierelement zum Eindosieren eines Reduktionsmittels zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere von wässriger Harnstofflösung, angeordnet ist. Durch ein zweites Dosierelement stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion und stromaufwärts der Verzweigung können wahlweise die zweite oder die dritte Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion mit Reduktionsmittel versorgt werden, sodass ein zusätzliches Dosierelement entfallen kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass die motornahe erste Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ein Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung ist und die weiteren Abgasnachbehandlungskomponenten zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden als SCR-Katalysatoren ausgebildet sind. Durch die motornahe Position des Partikelfilters kann ein Aufheizen des Partikelfilters auf seine Regenerationstemperatur erleichtert werden, sodass weniger Energie zum Aufheizen benötigt wird bzw. eine Heizphase verkürzt werden kann, in welcher der Verbrennungsmotor mit innermotorischen Heizmaßnahmen und einem verringerten Wirkungsgrad betrieben werden muss, um den Partikelfilter auf seine Regenerationstemperatur aufzuheizen.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die zweite Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden einen Metallitträger und die dritte Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion einen Keramikträger aufweist. SCR-Katalysatoren mit Metalliten als Trägerstruktur lassen sich schneller aufheizen und sind somit für den Kaltstartfall sinnvoll. SCR-Katalysatoren mit einem keramischen Träger besitzen eine im Vergleich zu Metalliten höhere Wärmekapazität, aber eine geringere Wärmeleitfähigkeit. Dadurch können Sie bei Hochlast oder Volllast besser eingesetzt werden.
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Das unterschiedliche Verhalten beider Materialen ist vor Allem in Dynamikphasen des Verbrennungsmotors von besonderer Bedeutung, insbesondere in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors oder bei einem Wechsel aus einem Volllast- auf einen Schubbetrieb. Aufgrund der hohen Wärmekapazität und seiner Größe kann der SCR-Katalysator mit dem keramischen Träger auch als Wärmesenke oder Wärmequelle eingesetzt werden, um die Temperatur des Abgases vor dem Eintritt in die dritte Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion stromabwärts des Bypasses zu regulieren.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass die im Bypass angeordnete dritte Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ein größeres katalytisch wirksames Volumen als die zweite Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion aufweist. Um das Aufheizen der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente zu verbessern, kann diese mit einem verhältnismäßig kleinen Volumen ausgeführt werden, welches in der Startphase und im Normalbetrieb zur Konvertierung der Stickoxidemissionen ausreichend ist. Durch das Zuschalten der dritten Abgasnachbehandlungskomponente im Bypass wird ein zusätzliches katalytisches Volumen bereitgestellt, welches mit steigender Lastanforderung an den Verbrennungsmotor verstärkt genutzt werden kann, um eine effiziente Konvertierung von Stickoxiden auch bei hohen Abgasvolumina zu ermöglichen.
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Bevorzugt ist dabei, wenn die zweite Abgasnachbehandlungskomponente ein Volumen von 1,5 dm3 bis 3dm3 aufweist.
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Die dritte Abgasnachbehandlungskomponente weist vorzugsweise ein Volumen von 2,5 dm3 bis 5 dm3 auf.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass die Abgaslauflänge für einen Abgasstrom durch den Bypass gegenüber der Abgaslauflänge durch den Hauptkanal um mindestens 40 cm, vorzugsweise um mindestens 60 cm, besonders bevorzugt um mindestens 80 cm verlängert ist. Durch eine Verlängerung des Abgaslaufwegs kann der Wärmeverlust über die Wände des Abgaskanals erhöht werden, sodass das Abgas des Verbrennungsmotors bei Eintritt in die zweite Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden eine geringere Temperatur aufweist. Somit kann erreicht werden, dass die zweite Abgasnachbehandlungskomponente auch bei einem Vollastbetrieb in einem Temperaturbereich betrieben werden kann, in welchem eine effiziente Konvertierung von Stickoxiden möglich ist.
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Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem, wobei
- - das Steuerelement in einem ersten Betriebszustand des Verbrennungsmotors vollständig geöffnet und der Abgasstrom des Verbrennungsmotors vollständig durch den Hauptkanal geführt wird, um das Aufheizen der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente zu begünstigen,
- - das Steuerelement in einem zweiten Betriebszustand des Verbrennungsmotors den Abgasstrom des Verbrennungsmotors derart auf den Hauptkanal und den Bypass aufteilt, dass in Abhängigkeit von der Temperatur der Abgasnachbehandlungskomponenten und/oder von dem Volumenstrom durch die zweite Abgasnachbehandlungskomponente und die dritte Abgasnachbehandlungskomponente eine maximale Konvertierungsleistung bezüglich der Stickoxidemissionen erreicht wird, und
- - das Steuerelement den Abgasstrom in einem dritten Betriebszustand des Verbrennungsmotors vollständig durch den Bypass leitet, um die Abgaslauflänge und damit verbunden den Wärmeverlust über die Abgaskanalwand des Abgaskanals zu vergrößern, um die zweite Abgasnachbehandlungskomponente und die dritte Abgasnachbehandlungskomponente in einem zur Konvertierung von Stickoxiden optimalen Temperaturbereich betreiben zu können.
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Durch das vorgeschlagene Verfahren können die Stickoxidemissionen des Verbrennungsmotors über den gesamten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors verringert werden. Dabei wird sowohl das Aufheizen der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen beschleunigt, als auch der Betriebsbereich bei Hochlast- oder Volllastbetrieb erweitert und auch bei einer Regeneration des Partikelfilters die Konvertierungsleistung des Abgasnachbehandlungssystems erhöht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der erste Betriebszustand bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors, der zweite Betriebszustand bei einem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors und der dritte Betriebszustand bei einem Volllastbetrieb oder bei einer Regeneration des Partikelfilters gewählt wird. Dadurch kann beim Kaltstart das Aufheizen der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente begünstigt werden und beim Hochlast-, Volllast- oder Regenerationsbetrieb der Betriebsbereich erweitert werden. Zudem kann bei einem Normalbetrieb die Effizienz der Abgasnachbehandlung durch das zusätzliche Katalysatorvolumen und die Aufteilung des Abgasstroms auf die zweite und dritte Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion gesteigert werden. Unter einem Normalbetrieb ist in diesem Zusammenhang ein Betrieb des Verbrennungsmotors zu verstehen, bei dem die Abgasnachbehandlungskomponenten ihre jeweilige Light-Off-Temperatur erreicht haben und die Lastanforderung des Verbrennungsmotors in einem Bereich liegt, welcher weder zusätzlichen Heizmaßnahmen noch Kühlmaßnahmen erfordert, um die Abgasnachbehandlungskomponenten zur selektiven, katalytischen Reduktion in einem zur Konvertierung von Stickoxiden günstigen Temperaturbereich zu betreiben.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Es zeigen:
- 1 einen Verbrennungsmotor mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem;
- 2 einen ersten Betriebszustand des Verbrennungsmotors, bei dem der Abgasstrom vollständig durch den Hauptkanal geleitet wird;
- 3 einen zweiten Betriebszustand des Verbrennungsmotors, bei dem der Abgasstrom bedarfsgerecht zwischen dem Hauptkanal und dem Bypass aufgeteilt wird, um eine maximaleffiziente Abgasnachbehandlung zu erreichen; und
- 4 einen dritten Betriebszustand des Verbrennungsmotors, bei dem der Abgasstrom vollständig durch den Bypass geleitet wird, um ein möglichst hohes Konvertierungsvolumen zur Verfügung stellen zu können und mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden in einem Temperaturbereich betreiben zu können, bei dem eine hocheffiziente Konvertierung der Stickoxide zu erwarten ist.
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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 nicht dargestellten Luftversorgungssystem und mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 20 verbunden. Der Verbrennungsmotor 10 kann ferner eine Hochdruckabgasrückführung umfassen, über welche ein Abgasteilstrom 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 zu den Brennräumen 12 oder von den Brennräumen 12 zur Abgasanlage 20 geöffnet oder verschlossen werden kann.
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Die Abgasanlage 20 umfasst einen Abgaskanal 22, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 22 eine Turbine 26 eines Abgasturboladers 24 angeordnet ist, welche einen Verdichter im Luftversorgungssystem über eine Welle antreibt. Der Abgasturbolader 24 ist vorzugsweise als Abgasturbolader 24 mit variabler Turbinengeometrie ausgeführt. Dazu sind einem Turbinenrad der Turbine 26 verstellbare Leitschaufeln vorgeschaltet, über welche die Anströmung des Abgases auf die Schaufeln der Turbine 26 variiert werden kann.
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Stromabwärts der Turbine 26 sind mehrere Abgasnachbehandlungskomponenten 28, 30, 32, 34, 36, 50, 52, 54 vorgesehen. Dabei ist unmittelbar stromabwärts der Turbine 26 als erste Komponente der Abgasnachbehandlung ein erster Katalysator 28, insbesondere ein Oxidationskatalysator 30 oder ein NOx-Speicherkatalysator 32 angeordnet, welchem in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors 10 durch die Abgasanlage 20 eine erste Abgasnachbehandlungskomponente 34, 36 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere ein Partikelfilter 34 mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion 36, nachgeschaltet ist. Stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente 34, 36 zur selektiven, katalytischen Reduktion ist ein Entkopplungselement 38 angeordnet. Stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente 34, 36 zur selektiven, katalytischen Reduktion, insbesondere stromabwärts des Entkopplungselements 38 ist eine Verzweigung 40 vorgesehen, an welcher sich der Abgaskanal 22 in einen Hauptkanal 44 und einen Bypass 46 verzweigt. In dem Hauptkanal 44 ist ein Steuerelement 42, insbesondere eine Abgasklappe, angeordnet, mit welchem der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 wahlweise durch den Hauptkanal 44, durch den Bypass 46 oder anteilig durch den Hauptkanal 44 und den Bypass 46 geleitet werden kann.
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Der Bypass 46 mündet an einer Einmündung 48 unmittelbar stromabwärts des Steuerelements 42 wieder in den Abgaskanal 22 der Abgasanlage 20. Stromabwärts der Einmündung 48 ist in dem Abgaskanal 22 eine zweite Abgasnachbehandlungskomponente 50 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere ein SCR-Katalysator mit einem Metallitträger, angeordnet. Stromabwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente 50 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ist ein Ammoniak-Sperrkatalysator 54 angeordnet, um überschüssiges Reduktionsmittel zu konvertieren und den Austritt und eine damit verbundene Umweltemission von Ammoniak zu vermeiden. In dem Bypass 46 ist eine dritte Abgasnachbehandlungskomponente 52 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere ein SCR-Katalysator mit einem Keramikträger, angeordnet. Dabei weist die zweite Abgasnachbehandlungskomponente 50 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden vorzugsweise ein katalytisch wirksames Volumen von 1,5 dm3 bis 3 dm3 auf. Die dritte Abgasnachbehandlungskomponente 52 weist ein katalytisch wirksames Volumen von 2,5 dm3 bis 5 dm3 auf. Dabei ist das katalytisch wirksame Volumen der dritten Abgasnachbehandlungskomponente 52 größer als das katalytisch wirksame Volumen der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente 50.
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In der Abgasanlage 20 ist stromabwärts des ersten Katalysators 28 und stromaufwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente 34, 36 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ein erstes Dosierelement 56 angeordnet, mit welchem ein vorzugsweise flüssiges Reduktionsmittel, insbesondere eine wässrige Harnstofflösung, in den Abgaskanal 22 eindosiert werden kann. Stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente 34, 36 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden und stromaufwärts der Verzweigung 40 ist ein zweites Dosierelement 58 angeordnet, mit welchem ebenfalls das Reduktionsmittel in die Abgasanlage 20 eindosiert werden kann. Dabei kann den Dosierelementen 56, 58 jeweils ein Abgasmischer 60 nachgeschaltet sein, um eine Vermischung des Abgasstroms mit dem Reduktionsmittel vor der in Strömungsrichtung nachfolgenden Abgasnachbehandlungskomponente 34, 36, 50, 52 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden zu verbessern.
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Ferner ist im Abgaskanal 22 ein Temperatursensor 62 vorgesehen, mit welchem eine Abgastemperatur in der Abgasanlage 20 überwacht werden kann, um eine effektive und effiziente Abgasnachbehandlung des Abgases des Verbrennungsmotors 10 zu ermöglichen. Ferner sind Differenzdrucksensoren 66 vorgehen, um eine Druckdifferenz über den Partikelfilter 34 zu bestimmen. Auf diese Weise kann der Beladungszustand des Partikelfilters 34 ermittelt und bei Überschreiten eines definierten Beladungsniveaus eine Regeneration des Partikelfilters 34 eingeleitet werden. Ferner ist im Abgaskanal 22 mindestens ein Sensor 64 zur Ermittlung der Stickoxidkonzentration angeordnet.
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Der Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Motorsteuergerät 70 verbunden, welches über nicht dargestellte Signalleitungen mit den Temperatur-, Druck- und Stickoxidsensoren 62, 64 sowie mit den Kraftstoffinjektoren 14 des Verbrennungsmotors 10 und den Steuereinrichtungen 42 der Abgasanlage 20 verbunden ist. Ferner können die Dosierelemente 56, 58 durch das Steuergerät 70 angesteuert und eine entsprechende Menge von Reduktionsmittel in den Abgaskanal 22 eindosiert werden.
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In 2 sind der Verbrennungsmotor 10 und das Abgasnachbehandlungssystem in einem ersten Betriebszustand dargestellt, in welchem die Abgasanlage 20 sowie die in der Abgasanlage 20 angeordneten Abgasnachbehandlungskomponenten 28, 30, 32, 34, 36, 50, 52, 54 aufgeheizt werden. Dabei erfolgt eine Konvertierung der Stickoxide zunächst durch die motornahe erste Abgasnachbehandlungskomponente 34, 36 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden. In diesem ersten Betriebszustand ist das Steuerelement 42 vollständig geöffnet, sodass der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 vollständig durch den Hauptkanal 44 geführt wird, um ein möglichst schnelles Aufheizen der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente 50 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden zu ermöglichen.
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In 3 ist ein zweiter Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 dargestellt, welcher sich an den ersten Betriebszustand anschließt, wenn die Abgasnachbehandlungskomponenten 28, 30, 32, 34, 36, 50, 52, 54 ihre jeweilig Light-Off-Temperatur erreicht haben. In diesem Betriebszustand wird der Abgasstrom durch das Steuerelement 42 bedarfsgerecht zwischen dem Hauptkanal 44 und dem Bypass 46 aufgeteilt, sodass eine Umsatzrate bei der Konvertierung der Stickoxide von mindestens 90%, vorzugsweise von mindestens 95%, besonders bevorzugt von mindestens 98% erreicht wird. Dabei erfolgt die Aufteilung des Abgasstroms in Abhängigkeit von der Temperatur oder des Umsatzwirkungsgrades der jeweiligen Abgasnachbehandlungskomponente 50, 52 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden. Dabei liegt die Abgastemperatur vor dem Eintritt in die jeweilige Abgasnachbehandlungskomponente 50, 52 vorzugsweise im Bereich von 300°C bis 450°C, um eine möglichst effiziente Konvertierung der Stickoxide zu erreichen.
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In 4 ist ein dritter Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 dargestellt, welcher bei einem länger andauernden Hochlast- oder Volllastbetrieb oder zur Regeneration des Partikelfilters 34 gewählt wird. In diesem dritten Betriebszustand verschließt das Steuerelement 42 den Hauptkanal 44 der Abgasanlage 20, sodass der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 vollständig durch den Bypass 46 geführt wird. Dabei werden die erste, zweite und dritte Abgasnachbehandlungskomponente 34, 36, 50, 52 zur selektiven, katalytischen Reduktion sequenziell durchströmt. Durch die Führung des Abgasstroms durch den Bypass 46 verlängert sich die Abgaslauflänge in der Abgasanlage 20, sodass mehr Wärme über die Wand des Abgaskanals 20 an die Umwelt abgegeben wird. Dadurch sinkt die Temperatur bei Eintritt in die zweite Abgasnachbehandlungskomponente 50 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, sodass auch bei Hochlast- oder Vollastbetrieb des Verbrennungsmotors 10 oder in einer Heizphase zur Regeneration des Partikelfilters 34 zumindest eine Abgasnachbehandlungskomponente 50, 52 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden in einem zur Konvertierung der Stickoxide optimalen Temperaturbereich betrieben werden kann und somit eine zuverlässige Reduktion der Stickoxidemissionen ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Brennraum
- 14
- Kraftstoffinjektor
- 16
- Einlass
- 18
- Auslass
- 20
- Abgasanlage
- 22
- Abgaskanal
- 24
- Abgasturbolader
- 26
- Turbine
- 28
- erster Katalysator
- 30
- Oxidationskatalysator
- 32
- NOx-Speicherkatalysator
- 34
- Partikelfilter
- 36
- SCR-Beschichtung
- 38
- Entkopplungselement
- 40
- Verzweigung
- 42
- Steuerelement / Abgasklappe
- 44
- Hauptkanal
- 46
- Bypass
- 48
- Einmündung
- 50
- zweite Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion
- 52
- dritte Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion
- 54
- Ammoniak-Sperrkatalysator
- 56
- erstes Dosierelement
- 58
- zweites Dosierelement
- 60
- Abgasmischer
- 62
- Temperatursensor
- 64
- NOx-Sensor
- 66
- Differenzdrucksensor
- 70
- Steuergerät
