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Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors 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 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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Immer effizienter werdende Verbrennungsmotoren führen zu niedrigeren Abgastemperaturen. Gleichzeitig verlangt der Gesetzgeber bei zukünftigen Abgasnormen die Einhaltung der Abgasnormen unter realen Fahrbedingungen (Real Drive Emissions = RDE). Bei Dieselmotoren sind Abgasnachbehandlungssysteme bekannt, welche einen motornahen NOx-Speicherkatalysator und einen stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators angeordneten SCR-Katalysator aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass die Stickoxide bei niedrigen Abgastemperaturen, insbesondere nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors, in dem NOx-Speicherkatalysator eingelagert werden können. Nachteilig ist jedoch, dass im späteren Normalbetrieb des Verbrennungsmotors durch den NOx-Speicherkatalysator ein für die nachgeschaltete selektive, katalytische Reduktion von Stickoxiden ungünstiges Verhältnis von Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid entsteht, wodurch die Wirksamkeit des SCR-Katalysators herabgesetzt wird. Ferner muss der NOx-Speicherkatalysator periodisch regeneriert werden, wobei der Verbrennungsmotor zur Regeneration mit einem fetten Verbrennungsluftgemisch und einem damit verbundenen schlechteren Wirkungsgrad betrieben werden muss. Die aus dem Stand der Technik bekannten Abgasnachbehandlungssysteme haben den Nachteil, dass sie nicht unter allen Betriebsbedingungen eines Verbrennungsmotors eine optimale Konvertierung oder Zurückhaltung der Schadstoffe ermöglichen. Der NOx-Speicherkatalysator benötigt eine Temperatur von mindestens 100°C, um Stickoxidemissionen effektiv einlagern und zwischenspeichern zu können.
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Aus der
DE 10 2014 214 588 A1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem schaltbaren Pre-Turbo-Katalysator bekannt, wobei der Katalysator über eine Ventileinheit in den Abgasstrom des Verbrennungsmotors eingekoppelt beziehungsweise von diesem entkoppelt werden kann. Der Pre-Turbo-Katalysator verfügt über einen Eingang und einen Ausgang, welche parallel zueinander angeordnet sind und einen Seitenarm des Abgaskanals des Verbrennungsmotors ausbilden.
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Die
DE 10 2018 104 151 A1 offenbart ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, welcher mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist. Dabei sind in der Abgasanlage ein motornaher erster Katalysator, stromabwärts des motornahen ersten Katalysators ein erster SCR-Katalysator und stromabwärts des ersten SCR-Katalysators ein zweiter SCR-Katalysator angeordnet. Jedem der SCR-Katalysatoren ist jeweils ein Dosierelement zur Eindosierung eines Reduktionsmittels, insbesondere wässriger Harnstofflösung, in die Abgasanlage zugeordnet. In der Abgasanlage ist stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors und stromaufwärts des ersten motornahen Katalysators ein Bypass ausgebildet, in welchem ein Bypass-Katalysator angeordnet ist.
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Aus der
DE 10 2010 032 363 A1 ist ein turbogeladener Dieselmotor mit einem Pre-Turbo-Katalysator bekannt, der stromaufwärts der Turbine eines Abgasturboladers in einem Abgaskanal des Verbrennungsmotors angeordnet ist. Stromabwärts des Pre-Turbo-Katalysators und stromaufwärts der Turbine des Abgasturboladers zweigt eine Niederdruck-Abgasrückführung aus dem Abgaskanal ab. Der Pre-Turbo-Katalysator ist derart klein ausgeführt, dass er sich in das Abgasrohr zwischen dem Auslass des Verbrennungsmotors und dem Einlass der Turbine integrieren lässt.
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Nachteilig an einer solchen Lösung ist jedoch, dass der Pre-Turbo-Katalysator den Abgasgegendruck erhöht und somit den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors sowie des Abgasturboladers reduziert. Ferner ist der Pre-Turbo-Katalysator bei einem Hochlast- oder Vollastbetrieb des Verbrennungsmotors besonders heißem Abgas ausgesetzt, sodass dieser Katalysator einer entsprechend hohen thermischen Belastung ausgesetzt ist und vorzeitig altern kann.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem Verbrennungsmotor die Rohemissionen zu verringern, den Betriebsbereich des Verbrennungsmotors zu erweitern und die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden.
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Die Aufgabe wird durch ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasanlage, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors ein motornaher erster Katalysator, insbesondere ein Oxidationskatalysator oder ein Stickoxidspeicherkatalysator, und stromabwärts des motornahen ersten Katalysators mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet ist, gelöst. Dabei ist stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors und stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers an der Abgasanlage ein schaltbarer Bypass vorgesehen, in welchem ein Bypass-Katalysator angeordnet ist, wobei der Bypass an einer ersten Verzweigung aus einem Abgaskanal der Abgasanlage abzweigt und an einer Einmündung stromaufwärts der Turbine des Abgasturboladers wieder in den Abgaskanal einmündet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass stromabwärts der Einmündung des Bypasses und stromaufwärts der Turbine ein Abgasrückführungskanal einer Hochdruckabgasrückführung aus der Abgasanlage abzweigt. Durch die Verlagerung der Entnahmestelle für die Hochdruckabgasrückführung hinter die Einmündung des Bypass-Katalysators kann in einem Bypassbetrieb dem Motor teilweise oder nahezu vollständig gereinigtes Abgas zurückgeführt werden. Dadurch kann eine Versottung in der Hochdruckabgasrückführung verringert werden, da das zurückgeführte Abgas keine unverbrannten Kohlenwasserstoffe mehr enthält. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass bei einer Regeneration des motornahen Stickoxidspeicherkatalysators, bei dem der Verbrennungsmotor mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird, eine höhere Abgasrückführungsrate über die Hochdruckabgasrückführung möglich ist. Die erhöhte Rückführung von Abgas über die Hochdruckabgasrückführung eröffnet durch ihre abgastemperatursenkenden Eigenschaften in dem unterstöchiometrischen Betrieb des Verbrennungsmotors einen erweiterten Betriebsbereich. Eine Beschränkung des Abgasmassenstroms durch die Hochdruckabgasrückführung aufgrund der Gefahr einer Versottung ist bei einer solchen Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems nicht notwendig. Die gleichen Vorteile ergeben sich, wenn der unterstöchiometrische Betrieb zum Entschwefeln eines NOx-Speicherkatalysators gewählt wird.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Abgasnachbehandlungssystems möglich.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Bypass-Katalysator als Diesel-Oxidationskatalysator oder als NOx-Speicherkatalysator ausgebildet ist. Der Bypass-Katalysator ist vorzugsweise als Startkatalysator vorgesehen, wenn die stromabwärts angeordneten Katalysatoren noch nicht ihre Betriebstemperatur und somit noch keine oder nur eine eingeschränkte Wirksamkeit aufweisen. Dabei kann der Katalysator die Funktion übernehmen, Schadstoffe, insbesondere Stickoxide, zwischen zu speichern, bis diese durch die nachgeschalteten Katalysatoren, insbesondere durch die SCR-Katalysatoren, in unschädliche Abgasbestandteile konvertiert werden können. Ferner kann der Bypass-Katalysator eine exotherme, oxidative Umsetzung von Schadstoffen ermöglichen, wodurch ein Aufheizen der stromabwärts angeordneten Katalysatoren begünstigt wird.
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Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Bypass-Katalysator als Partikelfilter mit einer Oxidationsbeschichtung oder Drei-Wege-Beschichtung ausgebildet ist. Durch einen Partikelfilter können die Partikelemissionen in dem über die Hochdruckabgasrückführung zurückgeführten Abgas verringert werden. Dadurch können die Versottungseffekte in der Abgasrückführungsleitung weiter reduziert werden und die Gefahr von Beschädigungen oder Ablagerung in der Hochdruckabgasrückführung, dem Ansaugtrakt oder den Brennräumen nimmt ab.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass an dem Abgaskanal ein Schaltelement vorgesehen ist, mit welchem das Abgasnachbehandlungssystem zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand umschaltbar ist. Durch ein Schaltelement ist ein einfaches Umschalten zwischen dem ersten Betriebszustand und dem zweiten Betriebszustand möglich, wobei ein vorzugsweise elektromechanischer Aktuator vorgesehen ist, mit welchem das Schaltelement von einer ersten Schaltstellung, in welcher der Abgasstrom des Verbrennungsmotors durch den Bypass geführt wird, in den zweiten Betriebszustand, in welchem der Bypass vom Abgasstrom entkoppelt ist, gebracht werden kann.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das Schaltelement ein Klappenventil oder ein Schieberventil umfasst. Durch ein Klappenventil oder ein Schieberventil kann der Abgasstrom des Verbrennungsmotors besonders einfach derart umgeleitet werden, dass er in einer Ventilstellung durch den Bypass geleitet wird, und der Bypass in einer zweiten Ventilstellung verschlossen ist, sodass der Abgasstrom an dem Bypass vorbeigeleitet wird und der Bypass-Katalysator vom Abgasstrom entkoppelt ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass der Bypass-Katalysator einen Washcoat oder eine Beschichtung aufweist, welche(r) eine hohe Niedertemperaturaktivität hat. Da der Bypass-Katalysator primär als Startkatalysator oder in Betriebsphasen mit niedriger Last genutzt wird, kann der Washcoat oder die Beschichtung speziell auf einen Niedertemperaturbereich optimiert werden. Da der Bypass-Katalysator bei höherer Abgastemperatur und/oder höherer Motorlast von dem Abgasstrom entkoppelt werden kann und in diesen Phasen nicht von Abgas durchströmt wird, besteht nicht die Gefahr, dass diese Betriebssituationen zu einer thermischen Schädigung des Bypass-Katalysators führen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass in der Abgasrückführungsleitung der Hochdruckabgasrückführung ein Abgasrückführungskühler angeordnet ist. Dadurch kann die Temperatur in den Brennräumen des Verbrennungsmotors weiter abgesenkt werden, was sich positiv auf die Rohemissionen, insbesondere die Stickoxid-Rohemissionen des Verbrennungsmotors auswirkt.
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In einer vorteilhaften Verbesserung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass in der Abgasanlage stromabwärts des Auslasses des Verbrennungsmotors und stromaufwärts der ersten Verzweigung eine Lambdasonde angeordnet ist. Durch eine Lambdasonde stromabwärts des Auslasses und stromaufwärts der Verzweigung des Bypasses kann eine besonders kurze Regelstrecke für die Regelung des Verbrennungsmotors ausgebildet werden. Dadurch ist eine besonders exakte Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses und eine entsprechend schnelle Anpassung der Einspritzmenge auch bei einem dynamischen Motorbetrieb und/oder häufigen Lastwechseln möglich.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem vorgeschlagen, wobei ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors in einer ersten Betriebssituation des Verbrennungsmotors durch den Bypass geleitet wird und der Bypass in einer zweiten Betriebssituation des Verbrennungsmotors aus dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors entkoppelt wird. Dadurch ist es möglich, den Bypass-Katalysator gezielt zuzuschalten, wenn beispielsweise die weiteren Katalysatoren noch nicht oder alleine nicht hinreichend für eine Abgasreinigung sorgen können. Zudem kann durch den Bypass-Katalysator eine gezielte Reinigung des über die Hochdruckabgasrückführung zurückgeführten Abgasteilstroms in Betriebsphasen des Verbrennungsmotors mit besonders hohen Rohemissionen erreicht werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Abgasstrom unterhalb einer ersten Schwellentemperatur durch den Bypass geleitet wird und der Bypass oberhalb dieser Schwellentemperatur aus dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors entkoppelt wird. Bevorzugt ist die Verwendung des Bypass-Katalysators als Startkatalysator, da dieser durch die motornahe Position stromaufwärts der Turbine des Abgasturboladers besonders schnell nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors seine Betriebstemperatur erreicht. Ferner kann durch die Entkopplung verhindert werden, dass es oberhalb einer Schwellentemperatur zu einer thermischen Schädigung oder einer vorzeitigen Alterung des Bypass-Katalysators kommt.
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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 in den Zeichnungen mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Es zeigen:
- 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors mit einem Ansaugtrakt und einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem; und
- 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors mit einem Ansaugtrakt und einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem.
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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 20 und mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 40 verbunden. 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.
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Das Luftversorgungssystem 20 umfasst einen Ansaugkanal 26, in welchem in Strömungsrichtung von Frischluft durch den Ansaugkanal 26 ein Luftfilter 22, stromabwärts des Luftfilters 22 ein Luftmassenmesser, insbesondere ein Heißfilmluftmassenmesser, stromabwärts des Luftmassenmessers ein Verdichter 24 eines Abgasturboladers 60, stromabwärts des Verdichters 24 ein Ladeluftkühler 28 angeordnet sind. Dabei kann der Luftmassenmesser auch in einem Filtergehäuse des Luftfilters 22 angeordnet sein, sodass der Luftfilter 22 und der Luftmassenmesser eine Baugruppe ausbilden. Stromabwärts des Luftfilters 22 und stromaufwärts des Verdichters 24 ist eine Einmündung 78 vorgesehen, an welcher eine Abgasrückführungsleitung 86 einer Niederdruck-Abgasrückführung 80 in den Ansaugkanal 28 mündet.
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Die Abgasanlage 40 umfasst einen Abgaskanal 42, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 42 stromabwärts des Auslasses 18 des Verbrennungsmotors 10 eine Turbine 44 des Abgasturboladers 60 angeordnet ist, welche den Verdichter 24 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 des Auslasses 18 und stromaufwärts der Turbine 44 ist eine erste Verzweigung 32 am Abgaskanal 42 ausgebildet, an welchen ein schaltbarer Bypass 98 aus dem Abgaskanal 42 abzweigt. Der Bypass 98 ist vorzugsweise U-förmig ausgebildet und mündet unmittelbar stromabwärts der ersten Verzweigung 32 an einer Einmündung 34 stromaufwärts der Turbine 44 wieder in den Abgaskanal 42. In dem Bypass 98 ist ein Pre-Turbo-Katalysator 100, insbesondere ein NOx-Speicherkatalysator 102 oder ein Diesel-Oxidationskatalysator 104, angeordnet, um insbesondere in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid zu oxidieren und ggf. Stickoxide einzuspeichern. Alternativ kann der Pre-Turbo-Katalysator 100 auch als Partikelfilter 106 mit einer Oxidationsbeschichtung zur Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid ausgebildet sein. In dem Abgaskanal 42 ist ein Steuerelement 90 angeordnet, mit welchem der schaltbare Bypass 98 geöffnet oder geschlossen werden kann. Das Steuerelement 90 ist vorzugsweise als Schieberventil 92 oder Klappenventil 94 ausgebildet, um auf einfache Art und Weise zwischen einem Abgasstrom durch den Abgaskanal 42 und einem Abgasstrom durch den Bypass 98 umschalten zu können. Stromabwärts der Einmündung 34 und stromaufwärts der Turbine 44 des Abgasturboladers 60 ist am Abgaskanal 42 eine zweite Verzweigung 114 ausgebildet, an welcher ein Abgasrückführungskanal 36 einer Hochdruckabgasrückführung 30 aus dem Abgaskanal 42 abzweigt. Die Hochdruckabgasrückführung 30 umfasst neben dem Abgasrückführungskanal 36 ein Hochdruck-Abgasrückführungsventil 38, über welchen ein zurückgeführter Abgasstrom gesteuert werden kann. Die Hochdruckabgasrückführung 30 kann ferner einen Abgasrückführungskühler 112 umfassen, um das zurückgeführte Abgas abzukühlen und somit die Temperatur in den Brennräumen abzusenken. Der Abgasrückführungskanal 36 mündet stromabwärts des Verdichters 24 und stromaufwärts des Einlasses 16 in den Ansaugkanal 26.
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Stromabwärts der Turbine 44 sind mehrere Abgasnachbehandlungskomponenten 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58 vorgesehen. Dabei ist unmittelbar stromabwärts der Turbine 44 ein erster Katalysator 46, insbesondere ein NOx-Speicherkatalysator 48 oder ein Oxidationskatalysator 50 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 Abgasstauklappe 74 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 Abgasstauklappe 74 ist am Abgaskanal 42 eine dritte Verzweigung 108 vorgesehen, an welcher eine Abgasrückführungsleitung 86 einer Niederdruck-Abgasrückführung 80 aus dem Abgaskanal 42 abzweigt.
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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 dritten Verzweigung 108 und stromaufwärts des Abgasrückführungskühlers 82 ein Filter 88 angeordnet.
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In dem Abgaskanal 42 ist, vorzugsweise an einer der Abgasnachbehandlungskomponenten 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 100 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 Dosierelement 62, 66 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 62, 66 vorgesehen, wobei das erste Dosierelement 62 stromabwärts des ersten Katalysators 46 und stromaufwärts des Partikelfilters 52 und das zweite Dosierelement 66 stromabwärts der Abgasstauklappe 74 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 56 angeordnet ist. Jedem Dosierelement 62, 66 kann ein Abgasmischer 64, 68 nachgeschaltet sein, um eine verbesserte Durchmischung des Abgasstroms mit dem Reduktionsmittel zu erzielen. Ferner kann an der Abgasanlage 40 ein Stickoxidsensor 76 angeordnet sein, um die Eindosierung des Reduktionsmittels durch die Dosierelemente 62, 66 zu steuern und die Wirksamkeit der SCR-Katalysatoren 52, 54, 56 im Rahmen einer Onboard-Diagnose zu überwachen.
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Der Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Motorsteuergerät 110 verbunden, welches über nicht dargestellte Signalleitungen mit den Druck-, Temperatur- und Abgassensoren 70, 72, 76, 96 sowie mit den Kraftstoffinjektoren 14 des Verbrennungsmotors 10 und den Steuereinrichtungen 24, 38, 64, 66, 68, 74, 84, 90, 92, 94 des Luftversorgungssystems 20 sowie der Abgasanlage 40 verbunden ist.
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Das Zusammenspiel des Pre-Turbo-Katalysators 100 für eine Steigerung der Tieftemperaturaktivität, insbesondere nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10, mit den Abgasnachbehandlungskomponenten 46, 48, 59, 52, 54, 56, 58 stromabwärts der Turbine 44 des Abgasturboladers 60 führt zu einer Aufweitung des Temperaturfensters, in welchem eine effiziente Konvertierung von schädlichen Abgaskomponenten möglich ist. Somit können die Emissionen im realen Fahrbetrieb durch das vorgeschlagene Abgasnachbehandlungssystem verringert werden.
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In 2 ist ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors 10 mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, ist in diesem Ausführungsbeispiel stromabwärts der Turbine 44 des Abgasturboladers 60 nur eine Abgasnachbehandlungskomponente 52, 54, 46 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, vorzugsweise ein Partikelfilter 52 mit einer SCR-Beschichtung 54 angeordnet. Ferner ist die Hochdruckabgasrückführung 30 in diesem Ausführungsbeispiel ohne einen zusätzlichen Abgasrückführungskühler 112 ausgestaltet.
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In einer ersten Betriebssituation des Verbrennungsmotors 10, insbesondere in einer Kaltstartphase, wird das Steuerelement 90 in eine erste Schaltposition gestellt, bei welcher der komplette Abgasstrom durch den Bypass 98 geleitet wird. Durch die motornahe Position des Pre-Turbo-Katalysators 100 stromaufwärts der Turbine 44 und sein kleines Volumen heizt sich der Pre-Turbo-Katalysator 100 nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 schnell auf und kann ab Erreichen seiner Light-Off-Temperatur für eine effiziente Konvertierung der limitierten Schadstoffe im Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 sorgen. Die Hochdruckabgasrückführung 30 wird in dieser ersten Betriebssituation freigegeben, sodass bereits gereinigtes Abgas über die Hochdruckabgasrückführung 30 zurückgeführt wird, wodurch die Rohemissionen des Verbrennungsmotors 10 und die Gefahr einer Versottung in der Hochdruckabgasrückführung 30 verringert werden können. In einer zweiten Betriebssituation des Verbrennungsmotors 10, insbesondere bei einem Hochlast- oder Volllastbetrieb wird das Steuerelement 90 in eine zweite Schaltposition gestellt, bei der der komplette Abgasstrom durch den Abgaskanal 42 geführt wird und der Bypass 98 vom Abgasstrom entkoppelt ist. In dieser Situation ist das Abgas des Verbrennungsmotors 10 zu heiß, dass eine effiziente Abgasnachbehandlung durch die Abgasnachbehandlungskomponenten 46, 48, 50, 52, 54, 56 stromabwärts der Turbine 44 erfolgt. Zudem ist das zurückgeführte Abgas über die Hochdruckabgasrückführung 30 so heiß, dass die Gefahr einer Versottung weitestgehend ausgeschlossen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Brennraum
- 14
- Kraftstoffinjektor
- 16
- Einlass
- 18
- Auslass
- 20
- Luftversorgungssystem
- 22
- Luftfilter
- 24
- Verdichter
- 26
- Ansaugkanal
- 28
- Ladeluftkühler
- 30
- Hochdruckabgasrückführung
- 32
- erste Verzweigung
- 34
- Einmündung des Bypass
- 36
- Abgasrückführungskanal
- 38
- Hochdruck-Abgasrückführungsventil
- 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
- erstes Dosierelement
- 64
- erster Abgasmischer
- 66
- zweites Dosierelement
- 68
- zweiter Abgasmischer
- 70
- Temperatursensor
- 72
- Differenzdrucksensor
- 74
- Abgasstauklappe
- 76
- NOx-Sensor
- 78
- Einmündung
- 80
- Niederdruck-Abgasrückführung
- 82
- Niederdruck-Abgasrückführungskühler
- 84
- Abgasrückführungsventil
- 86
- Abgasrückführungsleitung
- 88
- Filter
- 90
- Steuerelement
- 92
- Schieberventil
- 94
- Klappenventil
- 96
- Lambdasonde
- 98
- Bypass
- 100
- Pre-Turbo-Katalysator
- 102
- NOx-Speicherkatalysator
- 104
- Oxidationskatalysator
- 106
- Partikelfilter mit Oxidationsbeschichtung
- 108
- dritte Verzweigung
- 110
- Steuergerät
- 112
- Abgasrückführungskühler
- 114
- zweite Verzweigung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014214588 A1 [0004]
- DE 102018104151 A1 [0005]
- DE 102010032363 A1 [0006]
