DE102020128786A1 - Process for reducing nitrous oxide emissions from an internal combustion engine and exhaust gas aftertreatment system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung der Lachgasemissionen in einer Abgasanlage (20) eines Verbrennungsmotors (10). Dabei ist der Auslass (18) des Verbrennungsmotors (10) mit der Abgasanlage (20) verbunden. In der Abgasanlage (20) sind in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors (10) eine Stickoxidspeicherkomponente (28, 30, 32), stromabwärts der Stickoxidspeicherkomponente (28, 30, 32) eine elektrische Heizeinrichtung (34) und stromabwärts der elektrischen Heizeinrichtung (34) ein Oxidationskatalysator (38) angeordnet. Es ist vorgesehen, dass die Temperaturen (TNS, TOX) der Stickoxidspeicherkomponente (28, 30, 32) und des Oxidationskatalysators (38) bestimmt werden, ein Betriebszustand des Verbrennungsmotors (10) ermittelt wird und die elektrische Heizeinrichtung (34) aktiviert wird, wenn die Temperaturen (TNS, TOX) und der ermittelte Betriebszustand des Verbrennungsmotors (10) eine Lachgasbildung an zumindest einer der Abgasnachbehandlungskomponenten (28, 30, 32, 38) erwarten lässt.Die Erfindung betrifft ferner ein Abgasnachbehandlungssystem zur Durchführung eines solchen Verfahrens.The invention relates to a method for reducing nitrous oxide emissions in an exhaust system (20) of an internal combustion engine (10). The outlet (18) of the internal combustion engine (10) is connected to the exhaust system (20). In the exhaust system (20), in the direction of flow of an exhaust gas stream of the internal combustion engine (10), there is a nitrogen oxide storage component (28, 30, 32), downstream of the nitrogen oxide storage component (28, 30, 32) an electrical heating device (34) and downstream of the electrical heating device (34) an oxidation catalyst (38) arranged. It is provided that the temperatures (TNS, TOX) of the nitrogen oxide storage component (28, 30, 32) and of the oxidation catalytic converter (38) are determined, an operating state of the internal combustion engine (10) is determined and the electric heating device (34) is activated when the temperatures (TNS, TOX) and the determined operating state of the internal combustion engine (10) indicate the formation of nitrous oxide in at least one of the exhaust gas aftertreatment components (28, 30, 32, 38). The invention also relates to an exhaust gas aftertreatment system for carrying out such a method.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung der Lachgasemissionen eines Verbrennungsmotors sowie ein Abgasnachbehandlungssystem zur Durchführung eines solchen Verfahrens gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to a method for reducing the nitrous oxide emissions of an internal combustion engine and an exhaust gas aftertreatment system for carrying out such a method according to the preamble of the independent patent claims.
Das Kyoto-Protokoll ist ein gemeinsames Ergebnis der internationalen Klimapolitik. Darin verpflichten sich die Mitgliedsstaaten der internationalen Staatengemeinschaft in einem völkerrechtlichen Vertrag auf eine absolute und rechtlich verbindliche Begrenzung des Ausstoßes von Treibhausgasen. Mit der Ratifizierung des Kyoto-Protokolls ist es für die Industriestaaten verpflichtend und verbindlich, die Emissionen der wichtigsten Treibhausgase - darunter Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und Lachgas (N2O) zu senken.The Kyoto Protocol is a joint result of international climate policy. In it, the member states of the international community commit themselves to an absolute and legally binding limitation of the emission of greenhouse gases in an international treaty. With the ratification of the Kyoto Protocol, it is obligatory and binding for industrialized countries to reduce emissions of the most important greenhouse gases - including carbon dioxide (CO2), methane (CH4) and nitrous oxide (N2O).
Lachgas ist ein Treibhausgas, welches rund 300-mal so klimaschädlich ist wie Kohlenstoffdioxid. Hauptquelle für die Lachgasemissionen sind stickstoffhaltige Düngemittel in der Landwirtschaft sowie die landwirtschaftliche Tierhaltung. Weitere Quellen sind die Industrieprozesse in der chemischen Industrie sowie stationäre und mobile Verbrennungsprozesse.Nitrous oxide is a greenhouse gas that is around 300 times more harmful to the climate than carbon dioxide. The main sources of nitrous oxide emissions are nitrogenous fertilizers in agriculture and animal husbandry. Other sources are the industrial processes in the chemical industry as well as stationary and mobile combustion processes.
Im Zuge einer weiteren Verschärfung der zukünftigen Emissionsgesetzgebung für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren ist auch mit einem Grenzwert für die Lachgasemissionen zu rechen. Dabei stellen die Forderungen nach einem weiter sinkenden Verbrauch und die weitere Verschärfung der Abgasnormen hinsichtlich der zulässigen Stickoxid- und Lachgasemissionen 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.In the course of a further tightening of future emissions legislation for motor vehicles with internal combustion engines, a limit value for nitrous oxide emissions is also to be expected. The demands for a further reduction in consumption and the further tightening of the exhaust gas standards with regard to the permissible nitrogen oxide and nitrous oxide emissions pose a challenge for the engine developers -Catalyst upstream and downstream further catalysts. Exhaust gas aftertreatment systems are currently used in diesel engines, which have an oxidation catalytic converter, a catalytic converter for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides (SCR catalytic converter) and a particle filter for separating soot particles and optionally further catalytic converters. Ammonia is preferably used as the reducing agent. Because handling pure ammonia is complicated, vehicles usually use a synthetic, aqueous urea solution, which is mixed with the hot exhaust gas flow in a mixing device upstream of the SCR catalytic converter. This mixing heats up the aqueous urea solution, with the aqueous urea solution releasing ammonia in the exhaust gas duct. A commercially available, aqueous urea solution is generally made up of 32.5% urea and 67.5% water.
Bei Verbrennungsmotoren entsteht Lachgas im Wesentlichen nicht primär bei der motorischen Verbrennung, sondern wird unter bestimmten ungünstigen Temperaturbedingungen auf den Katalysatoren zur Abgasnachbehandlung gebildet.In internal combustion engines, nitrous oxide is not primarily produced during engine combustion, but is formed under certain unfavorable temperature conditions on the catalytic converters for exhaust gas aftertreatment.
Aus der
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, zusätzlich zu den bereits limitierten Abgaskomponenten (NOx, CO, HC) zusätzlich die Lachgasemissionen zu minimieren und damit die Abgasreinigung weiter zu verbessern bzw. negative Sekundäreffekte zu vermeiden.The object of the invention is now to minimize the nitrous oxide emissions in addition to the already limited exhaust gas components (NOx, CO, HC) and thus to further improve the exhaust gas purification or to avoid negative secondary effects.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Verminderung der Lachgasemissionen in einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors gelöst. Dabei ist der Auslass des Verbrennungsmotors mit der Abgasanlage verbunden. In der Abgasanlage sind in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors eine Stickoxidspeicherkomponente, stromabwärts der Stickoxidspeicherkomponente eine elektrische Heizeinrichtung, insbesondere ein elektrisch beheizbarer Katalysator, und stromabwärts der elektrischen Heizeinrichtung ein Oxidationskatalysator angeordnet. Es ist vorgesehen, dass die Temperaturen der Stickoxidspeicherkomponente und des Oxidationskatalysator bestimmt werden, ein Betriebszustand des Verbrennungsmotors ermittelt wird und die elektrische Heizeinrichtung aktiviert wird, wenn die Temperaturen und der ermittelte Betriebszustand des Verbrennungsmotors eine Lachgasbildung an zumindest einer der Abgasnachbehandlungskomponenten, insbesondere an dem Oxidationskatalysator, erwarten lässt.This object is achieved by a method for reducing nitrous oxide emissions in an exhaust system of an internal combustion engine. The outlet of the combustion engine is connected to the exhaust system. In the exhaust system, a nitrogen oxide storage component is arranged in the flow direction of an exhaust gas stream of the internal combustion engine, an electric heating device, in particular an electrically heatable catalytic converter, is arranged downstream of the nitrogen oxide storage component, and an oxidation catalytic converter is arranged downstream of the electric heating device. Provision is made for the temperatures of the nitrogen oxide storage component and the oxidation catalytic converter to be determined, an operating state of the internal combustion engine to be determined and the electric heating device to be activated if the temperatures and the determined operating state of the internal combustion engine indicate nitrous oxide formation on at least one of the exhaust gas aftertreatment components, in particular on the oxidation catalytic converter can be expected.
Lachgasemissionen entstehen in der Abgasanlage insbesondere dann, wenn Stickoxide freigesetzt werden, gleichzeitig unverbrannte Kohlenwasserstoffe im Abgas vorhanden sind und die Temperatur eines Katalysators im Bereich von 200 - 240°C liegt. Unter diesen Bedingungen kommt es zu einer verstärkten Lachgasbildung, daher gilt es solche Bedingungen zu vermeiden, um die Lachgasbildung zu minimieren. Solange die Stickoxidspeicherkomponente die Stickoxide im Abgas des Verbrennungsmotors absorbiert, fehlt für die Lachgasbildung ein wesentlicher Reaktionspartner. Wird eine Betriebssituation des Verbrennungsmotors erkannt, bei der Stickoxide freigesetzt werden oder nicht mehr durch die Stickoxidspeicherkomponente absorbiert werden können, gleichzeitig unverbrannte Kohlenwasserstoffe im Abgas vorhanden sind und die Temperatur des Oxidationskatalysators im kritischen Bereich von 200° - 240°C liegt, so wird die elektrische Heizeinrichtung aktiviert, um den Oxidationskatalysator soweit aufzuheizen, dass eine Lachgasbildung minimiert wird.Nitrous oxide emissions occur in the exhaust system in particular when nitrogen oxides are released, unburned hydrocarbons are present in the exhaust gas at the same time and the temperature of a catalytic converter is in the range of 200 - 240°C. Under these conditions, a increased nitrous oxide formation, so it is important to avoid such conditions in order to minimize the formation of nitrous oxide. As long as the nitrogen oxide storage component absorbs the nitrogen oxides in the exhaust gas of the internal combustion engine, an essential reactant for the formation of nitrous oxide is missing. If an operating situation of the internal combustion engine is detected in which nitrogen oxides are released or can no longer be absorbed by the nitrogen oxide storage component, while unburned hydrocarbons are present in the exhaust gas and the temperature of the oxidation catalytic converter is in the critical range of 200° - 240°C, the electrical Heating device activated to heat the oxidation catalytic converter to such an extent that nitrous oxide formation is minimized.
Durch eine gezielte Temperatursteuerung des Oxidationskatalysators über den elektrisch beheizbaren Katalysator kann die Bildung von Lachgas auf den Katalysatoren in der Abgasanlage minimiert werden. Hohe Verbrennungs- und Abgastemperaturen führen zu einem schnellen Zerfall von Lachgas und somit zu einer weiteren Minimierung der Lachgasemissionen.Targeted temperature control of the oxidation catalytic converter via the electrically heatable catalytic converter can minimize the formation of nitrous oxide on the catalytic converters in the exhaust system. High combustion and exhaust gas temperatures lead to rapid decomposition of nitrous oxide and thus further minimization of nitrous oxide emissions.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterentwicklungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch genannten Verfahrens möglich.Advantageous further developments and improvements of the method specified in the independent claim are possible as a result of the features listed in the dependent claims.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Beladungszustand der Stickoxidspeicherkomponente, insbesondere eines passiven NOx-Adsorbers oder eines NOx-Speicherkatalysators, ermittelt wird. Durch die Ermittlung des Beladungszustandes kann abgeschätzt werden, ob ein Betriebszustand zu erwarten ist, bei dem Stickoxide freigesetzt werden und die Gefahr der Bildung von Lachgas entsteht.In a preferred embodiment of the invention, it is provided that a loading state of the nitrogen oxide storage component, in particular a passive NOx adsorber or a NOx storage catalytic converter, is determined. By determining the loading status, it is possible to estimate whether an operating status is to be expected in which nitrogen oxides are released and there is a risk of the formation of nitrous oxide.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass stromaufwärts der Stickoxidspeicherkomponente eine erste Stickoxidkonzentration und stromabwärts der Stickoxidspeicherkomponente eine zweite Stickoxidkonzentration gemessen werden, wobei aus den gemessenen Stickoxidkonzentrationen ein Beladungszustand der Speicherkomponente oder ein Stickoxidaustrag aus der Stickoxidspeicherkomponente ermittelt wird. Durch eine Messung der Stickoxidkonzentration kann der Beladungszustand der Stickoxidspeicherkomponente berechnet werden und/oder ein Austrag von Stickoxiden aus der Stickoxidspeicherkomponente erfasst werden.In an advantageous further development of the method, it is provided that a first nitrogen oxide concentration is measured upstream of the nitrogen oxide storage component and a second nitrogen oxide concentration downstream of the nitrogen oxide storage component, with a charge state of the storage component or a nitrogen oxide discharge from the nitrogen oxide storage component being determined from the measured nitrogen oxide concentrations. By measuring the nitrogen oxide concentration, the charge state of the nitrogen oxide storage component can be calculated and/or a discharge of nitrogen oxides from the nitrogen oxide storage component can be detected.
Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass ein Beladungszustand der Stickoxidspeicherkomponente oder ein Stickoxidaustrag aus der Stickoxidspeicherkomponente mittels eines Beladungsmodells berechnet wird. Durch ein entsprechendes Berechnungsmodell kann alternativ oder zusätzlich berechnet werden, ob ein Stickoxidaustrag aus der Stickoxidspeicherkomponente zu erwarten ist und die Gefahr der Lachgasbildung erhöht ist.Alternatively or additionally, it is advantageously provided that a loading state of the nitrogen oxide storage component or a nitrogen oxide discharge from the nitrogen oxide storage component is calculated using a loading model. Alternatively or additionally, a corresponding calculation model can be used to calculate whether nitrogen oxide discharge from the nitrogen oxide storage component is to be expected and the risk of nitrous oxide formation is increased.
In eine vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass in der Abgasanlage stromaufwärts des Oxidationskatalysators eine Konzentration an unverbrannten Kohlenwasserstoffen ermittelt wird. Da die Bildung von Lachgas durch das gleichzeitige Vorhandensein von unverbrannten Kohlenwasserstoffen begünstigt wird, kann die Steuerung des elektrisch beheizbaren Katalysators verbessert werden, indem zusätzlich die Konzentration an unverbrannten Kohlenwasserstoffen stromaufwärts des Oxidationskatalysators ermittelt wird.In an advantageous embodiment of the method, it is provided that a concentration of unburned hydrocarbons is determined in the exhaust system upstream of the oxidation catalytic converter. Since the formation of nitrous oxide is favored by the simultaneous presence of unburned hydrocarbons, the control of the electrically heatable catalytic converter can be improved by additionally determining the concentration of unburned hydrocarbons upstream of the oxidation catalytic converter.
In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der elektrisch beheizbare Katalysator aktiviert wird, wenn ein Schwellenwert für die Stickoxidbeladung der Stickoxidspeicherkomponente überschritten wird. Da ab einem Schwellenwert, insbesondere ab einer Beladung der Stickoxidspeicherkomponente von mehr als 75% der Speicherkapazität der Stickoxidspeicherkomponente, die Gefahr der Freisetzung von Stickoxiden zunimmt, ist es vorteilhaft, bei Überschreitung des Schwellenwertes den elektrisch beheizbaren Katalysator zu aktivieren. Durch die rechtzeitige Aktivierung der elektrischen Heizeinrichtung wird der Oxidationskatalysator soweit aufgeheizt, dass der Oxidationskatalysator eine Temperatur von mindestens 250°C, vorzugsweise von mindestens 350°C, besonders bevorzugt von mindestens 450°C erreicht, bevor die Stickoxide aus der Stickoxidspeicherkomponente freigesetzt werden und somit die Lachgasbildung minimiert wird.A further improvement of the method provides that the electrically heatable catalytic converter is activated when a threshold value for the nitrogen oxide loading of the nitrogen oxide storage component is exceeded. Since the risk of the release of nitrogen oxides increases from a threshold value, in particular from a loading of the nitrogen oxide storage component of more than 75% of the storage capacity of the nitrogen oxide storage component, it is advantageous to activate the electrically heatable catalytic converter when the threshold value is exceeded. Due to the timely activation of the electrical heating device, the oxidation catalytic converter is heated to such an extent that the oxidation catalytic converter reaches a temperature of at least 250° C., preferably at least 350° C., particularly preferably at least 450° C., before the nitrogen oxides are released from the nitrogen oxide storage component and thus the formation of nitrous oxide is minimized.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, welcher mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist, wobei in der Abgasanlage in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors eine Stickoxidspeicherkomponente, stromabwärts der Stickoxidspeicherkomponente eine elektrische Heizeinrichtung, insbesondere ein elektrisch beheizbarer Katalysator, und stromabwärts der elektrischen Heizeinrichtung ein Oxidationskatalysator angeordnet sind, sowie mit einem Steuergerät, welches dazu eingerichtet ist, ein solches Verfahren durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Steuergerät ausgeführt wird. Durch ein solches Abgasnachbehandlungssystem kann verhindert werden, dass der Oxidationskatalysator bei einem für die Lachgasbildung kritischen Betriebszustand des Verbrennungsmotors in einem Temperaturbereich betrieben wird, welcher eine solche Lachgasbildung begünstigt. Dadurch können die Lachgasemissionen minimiert werden.Another aspect of the invention relates to an exhaust gas aftertreatment system for an internal combustion engine, which is connected to an exhaust system at its outlet, wherein in the exhaust system in the flow direction of an exhaust gas stream of the internal combustion engine a nitrogen oxide storage component, downstream of the nitrogen oxide storage component an electrical heating device, in particular an electrically heatable catalyst, and downstream an oxidation catalytic converter is arranged in the electrical heating device, and with a control unit which is set up to carry out such a method when a machine-readable program code is executed by the control unit. Such an exhaust gas after-treatment system can prevent the oxidation catalyst from being operated in a temperature range which is critical for the formation of nitrous oxide when the internal combustion engine is in an operating state in which such a formation of nitrous oxide occurs favored. This means that nitrous oxide emissions can be minimized.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass die Stickoxidspeicherkomponente ein NOx-Speicherkatalysator ist oder einen NOx-Speicherkatalysator umfasst. Durch einen NOx-Speicherkatalysator können Stickoxide eingespeichert werden. Zur Regeneration des NOx-Speicherkatalysators sind jedoch motorische Fettphasen oder eine Eindosierung von Kraftstoff in die Abgasanlage notwendig, um die eingespeicherten Stickoxide mit den unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu konvertieren. Da das gleichzeitige Vorhandensein von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden jedoch die Lachgasbildung begünstigt, ist es hilfreich, den Oxidationskatalysator durch die elektrische Heizeinrichtung so stark aufzuheizen, dass die Temperatur des Oxidationskatalysators über dem für die Lachgasbildung kritischen Temperaturbereich von 200°C - 250°C liegt.In a preferred embodiment of the exhaust gas aftertreatment system, it is provided that the nitrogen oxide storage component is a NOx storage catalytic converter or comprises a NOx storage catalytic converter. Nitrogen oxides can be stored using a NOx storage catalytic converter. In order to regenerate the NOx storage catalytic converter, however, rich phases in the engine or metering of fuel into the exhaust system are necessary in order to convert the stored nitrogen oxides with the unburned hydrocarbons. However, since the simultaneous presence of unburned hydrocarbons and nitrogen oxides promotes the formation of nitrous oxide, it is helpful to heat up the oxidation catalytic converter with the electrical heating device to such an extent that the temperature of the oxidation catalytic converter is above the critical temperature range of 200°C - 250°C for the formation of nitrous oxide.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der NOx-Speicherkatalysator als Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator ausgeführt ist. Unter einem Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator ist in diesem Zusammenhang ein NOx-Speicherkatalysator zu verstehen, welcher bereits ab einer Temperatur von 140°C, vorzugsweise bereits ab 120°C, besonders bevorzugt bereits ab 100°C Stickoxide einspeichern kann. Durch einen solchen Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator können insbesondere die Stickoxidemissionen in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors minimiert werden, in der weitere Abgasnachbehandlungskomponenten zu Reduzierung von Stickoxiden, insbesondere ein oder mehrere Katalysatoren zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, noch nicht ihre Betriebstemperatur erreicht haben.It is particularly preferred if the NOx storage catalytic converter is designed as a low-temperature NOx storage catalytic converter. In this context, a low-temperature NOx storage catalytic converter is to be understood as meaning a NOx storage catalytic converter which can store nitrogen oxides from a temperature of 140°C, preferably from 120°C, particularly preferably from 100°C. Such a low-temperature NOx storage catalytic converter can in particular minimize the nitrogen oxide emissions in a cold start phase of the internal combustion engine, in which other exhaust gas aftertreatment components for reducing nitrogen oxides, in particular one or more catalytic converters for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides, have not yet reached their operating temperature.
Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Stickoxidspeicherkomponente ein passiver NOx-Adsorber ist oder einen passiven NOx-Adsorber umfasst. Durch einen passiven NOx-Adsorber können Stickoxide bereits bei Abgastemperaturen von etwa 80°C adsorbiert und temporär eingespeichert werden. Übersteigen die Abgastemperatur und die Temperatur des passiven NOx-Adsorbers einen Schwellenwert von etwa 200 - 250°C, so werden die eingespeicherten Stickoxide wieder freigesetzt und der passive NOx-Adsorber regeneriert. Somit ist der passive NOx-Adsorber insbesondere dazu geeignet, die Stickoxidemissionen in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors zu minimieren. Da die Freisetzung der Stickoxide bei einem Temperaturniveau erfolgt, welches hinsichtlich der Lachgasbildung kritisch ist, ist es vorteilhaft, den Oxidationskatalysator durch die elektrische Heizeinrichtung zu erwärmen, damit der Oxidationskatalysator bei der Freisetzung der Stickoxide heiß genug ist, um eine Lachgasbildung zu vermeiden oder zu minimieren.Alternatively or additionally, it is advantageously provided that the nitrogen oxide storage component is a passive NOx adsorber or includes a passive NOx adsorber. With a passive NOx adsorber, nitrogen oxides can be adsorbed and temporarily stored at exhaust gas temperatures of around 80°C. If the exhaust gas temperature and the temperature of the passive NOx adsorber exceed a threshold value of around 200 - 250°C, the stored nitrogen oxides are released again and the passive NOx adsorber is regenerated. The passive NOx adsorber is therefore particularly suitable for minimizing nitrogen oxide emissions in a cold-start phase of the internal combustion engine. Since the nitrogen oxides are released at a temperature level which is critical with regard to the formation of nitrous oxide, it is advantageous to heat the oxidation catalytic converter using the electric heating device so that the oxidation catalytic converter is hot enough when the nitrogen oxides are released to avoid or minimize the formation of nitrous oxide .
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.Unless stated otherwise in the individual case, the various embodiments of the invention mentioned in this application can advantageously be combined with one another.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Es zeigen:
-
1 einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem in einer schematischen Darstellung; -
2 eine Katalysatoranordnung das Abgasnachbehandlungssystems in einer schematischen Darstellung; -
3 einen zeitlichen Temperaturverlauf des Oxidationskatalysators sowie die Ansteuerung der elektrischen Heizeinrichtung bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors; und -
4 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verminderung der Lachgasemissionen.
-
1 an internal combustion engine with an exhaust aftertreatment system in a schematic representation; -
2 a catalytic converter arrangement of the exhaust gas aftertreatment system in a schematic representation; -
3 a time course of the temperature of the oxidation catalytic converter and the actuation of the electric heating device when the internal combustion engine is started cold; and -
4 a flowchart for carrying out a method according to the invention for reducing nitrous oxide emissions.
In der Abgasanlage 20 ist in Strömungsrichtung eines Abgasstroms durch den Verbrennungsmotor 10 durch einen Abgaskanal 22 der Abgasanlage 20 stromabwärts einer Turbine 26 eines Abgasturboladers 24 als erste Komponente der Abgasnachbehandlung eine Stickoxidspeicherkomponente 28, insbesondere ein passiver NOx-Adsorber 32 angeordnet. Der passive NOx-Adsorber 32 ist bevorzugt als passiver NOx-Adsorber 32 ohne eine Oxidationskomponente ausgeführt und dient lediglich zur temporären Einspeicherung von Stickoxiden in der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors. Stromabwärts der Stickoxidspeicherkomponente 28 ist eine elektrische Heizeinrichtung 34 mit einem elektrischen Heizelement 36 angeordnet, mit welcher der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 im Wesentlichen unabhängig von der Betriebsweise des Verbrennungsmotors 10 beheizt werden kann. Weiter stromabwärts ist ein Oxidationskatalysator 38, insbesondere ein Dieseloxidationskatalysator, angeordnet. Alternativ kann die Stickoxidspeicherkomponente 28 auch als ein NOx-Speicherkatalysator 30, insbesondere als Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator, ausgeführt sein.In the
Stromabwärts des Oxidationskatalysators 38 können in der Abgasanlage 20 weitere Abgasnachbehandlungskomponenten 40, 42, 44, 46, insbesondere mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente 40 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, bevorzugt ein SCR-Katalysator 42 oder ein Partikelfilter 44 mit einer SCR-Beschichtung 46 angeordnet sein, mit welchem ein Reduktionsmittel in den Abgaskanal 22 eindosiert werden kann. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 38 und stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente 40 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ist ein Dosierelement 58 angeordnet, mit welchem ein Reduktionsmittel, insbesondere wässrige Harnstofflösung, in die Abgasanlage 20 des Verbrennungsmotors 10 eindosiert werden kann.Further exhaust gas aftertreatment components 40, 42, 44, 46, in particular at least one exhaust gas aftertreatment component 40 for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides, preferably an SCR catalytic converter 42 or a particle filter 44 with an SCR coating 46, can be arranged in
Stromabwärts des Dosierelements 58 und stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente 40 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden kann ein Abgasmischer angeordnet sein, um eine Durchmischung des Reduktionsmittels mit dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 vor Eintritt in die Abgasnachbehandlungskomponente 40 zur selektiven katalytischen Reduktion zu verbessern.An exhaust gas mixer can be arranged downstream of
Ferner können in der Abgasanlage 20 mehrere Abgassensoren 48, insbesondere NOx-Sensor(en) 54, 56, oder ein Sensor zur Erkennung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, sowie Temperatursensoren 50, 52 vorgesehen sein. Der Verbrennungsmotor 10 und die Sensoren 48, 50, 52, 54, 56 sind mit einem Steuergerät 60 verbunden, welches unter anderem die Einspritzmenge und den Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffs in die Brennräume 12 des Verbrennungsmotors 10 und die Aktivierung beziehungsweise die Heizleistung der elektrischen Heizeinrichtung 34 steuert. Das Steuergerät 60 umfasst eine Recheneinheit 62 und eine Speichereinheit 64, in welcher ein maschinenlesbarer Programmcode 66 abgelegt ist, welcher durch die Recheneinheit 62 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden kann.Furthermore, several exhaust gas sensors 48, in particular NOx sensor(s) 54, 56, or a sensor for detecting unburned hydrocarbons, as well as
Stromaufwärts der Stickoxidspeicherkomponente 28 ist im Abgaskanal 22 ein erster NOx-Sensor 54 angeordnet. Stromabwärts der Stickoxidspeicherkomponente 28 ist ein zweiter NOx-Sensor 56 angeordnet, sodass über die zwischen den NOx-Sensoren 54, 56 gemessene Differenz eine Beladung der Stickoxidspeicherkomponente 28 oder ein Freisetzen von Stickoxiden festgestellt werden kann. An der Stickoxidspeicherkomponente 28 ist ein erster Temperatursensor 50 angeordnet, mit welchem die Temperatur TNS der Stickoxidspeicherkomponente 28 gemessen werden kann. An dem Oxidationskatalysator 38 ist ein zweiter Temperatursensor 52 angeordnet, mit welchem die Temperatur Tox des Oxidationskatalysators 38 gemessen werden kann.A
In
Solange die Stickoxidspeicherkomponente 28 die Stickoxide adsorbiert, fehlt für die Lachgasbildung an dem Oxidationskatalysator 38 ein wesentlicher Reaktionspartner. Die aktuelle Speicherbeladung der Stickoxidspeicherkomponente 28 wird mittels eines Berechnungsmodells im Steuergerät 60 oder über eine Messung der Stickoxidkonzentration im Abgaskanal 22 an jeweils einem NOx-Sensor 54, 56 stromaufwärts und stromabwärts der Stickoxidspeicherkomponente 28 oder durch eine Kombination beider Verfahren ermittelt. Die maximale Speicherkapazität der Stickoxidspeicherkomponente wird applikativ in dem Steuergerät 60 abgelegt. Die Temperatur Tox des Oxidationskatalysators 38 sowie die Temperatur TNS der Stickoxidspeicherkomponente 28 werden über ein Berechnungsmodell, Temperatursensoren 50, 52 oder eine Kombination von beiden Verfahren ermittelt.As long as the nitrogen
Es gibt drei Betriebssituationen des Verbrennungsmotors 10, in denen Stickoxide stromabwärts der Stickoxidspeicherkomponente 28 auftreten können.
- 1.)
Die Stickoxidspeicherkomponente 28, insbesondere der passive NOx-Adsorber 32, wird über das motorische Abgas bis in den Bereich der Desorptionstemperatur erwärmt und die eingelagerten Stickoxide durch thermische Desorption freigesetzt. Dies kann sowohl passiv im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors 10 als auch durch gezielte innermotorische Heizmaßnahmen, beispielsweise zur Regeneration eines Partikelfilters, erfolgen. - 2.) Der Schwellenwert der Stickoxidbeladung der Stickoxidspeicherkomponente 28 wird überschritten, sodass die eintretenden Stickoxide nicht mehr vollständig in
der Stickoxidspeicherkomponente 28 eingelagert werden können und Stickoxide indie Abgasanlage 20 stromabwärts der Stickoxidspeicherkomponente 28 gelangen. - 3.) Die Abgastemperatur TEG beziehungsweise die Temperatur TNS der Stickoxidspeicherkomponente 28 liegt so hoch, dass eintretende Stickoxide nicht in der
Stickoxidspeicherkomponente 28 eingelagert werden und dieStickoxidspeicherkomponente 28 durchströmen.
- 1.) The nitrogen
oxide storage component 28, in particular the passive NOx adsorber 32, is heated by the exhaust gas from the engine up to the desorption temperature range and the stored nitrogen oxides are released by thermal desorption. This can take place both passively during normal operation of theinternal combustion engine 10 and through specific heating measures within the engine, for example to regenerate a particle filter. - 2.) The threshold value of the nitrogen oxide loading of the nitrogen
oxide storage component 28 is exceeded, so that the entering nitrogen oxides can no longer be completely stored in the nitrogenoxide storage component 28 and nitrogen oxides reach theexhaust system 20 downstream of the nitrogenoxide storage component 28 . - 3.) The exhaust gas temperature T EG or the temperature T NS of the nitrogen
oxide storage component 28 is so high that entering nitrogen oxides are not stored in the nitrogenoxide storage component 28 and flow through the nitrogenoxide storage component 28 .
Wenn über einen der drei Mechanismen oder eine Kombination aus mehreren dieser Mechanismen Stickoxide stromabwärts der Stickoxidspeicherkomponente 28 detektiert werden und gleichzeitig die Temperatur Tox des Oxidationskatalysators 38 im für die Lachgasbildung kritischen Bereich liegt, wird das elektrische Heizelement 36 der elektrischen Heizeinrichtung 34 aktiviert, um den Oxidationskatalysator 38 in die bezüglich der Lachgasbildung unkritische Temperaturzone III aufzuheizen.If nitrogen oxides are detected downstream of the nitrogen
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Verbrennungsmotorcombustion engine
- 1212
- Brennraumcombustion chamber
- 1414
- KolbenPistons
- 1616
- Kraftstoffinjektorfuel injector
- 1818
- Auslass outlet
- 2020
- Abgasanlageexhaust system
- 2222
- Abgaskanalexhaust duct
- 2424
- Abgasturboladerexhaust gas turbocharger
- 2626
- Turbineturbine
- 2828
- Stickoxidspeicherkomponente nitric oxide storage component
- 3030
- NOx-SpeicherkatalysatorNOx storage catalyst
- 3232
- passiver NOx-Adsorberpassive NOx adsorber
- 3434
- elektrische Heizeinrichtungelectric heating device
- 3636
- elektrisches Heizelementelectric heating element
- 3838
- Oxidationskatalysator oxidation catalyst
- 4040
- Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen ReduktionExhaust aftertreatment component for selective, catalytic reduction
- 4242
- SCR-KatalysatorSCR catalytic converter
- 4444
- Partikelfilterparticle filter
- 4646
- SCR-BeschichtungSCR coating
- 4848
- Abgassensor exhaust gas sensor
- 5050
- erster Temperatursensorfirst temperature sensor
- 5252
- zweiter Temperatursensorsecond temperature sensor
- 5454
- erster NOx-Sensorfirst NOx sensor
- 5656
- zweiter NOx-Sensor second NOx sensor
- 6060
- Steuergerätcontrol unit
- 6262
- Recheneinheitunit of account
- 6464
- Speichereinheitstorage unit
- 6666
- Programmcodeprogram code
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 10242303 A1 [0006]DE 10242303 A1 [0006]
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-
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Legal Events
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---|---|---|---|
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