DE102021103234A1

DE102021103234A1 - Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors sowie Abgasnachbehandlungssystem

Info

Publication number: DE102021103234A1
Application number: DE102021103234.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Wendenburg; Arne Broemer; Asmus CARSTENSEN; Stefan PAUKNER; Stefan Resch; Andreas Herr
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-02-11
Filing date: 2021-02-11
Publication date: 2022-08-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10), in dessen Abgasanlage (20) mindestens ein erster Katalysator (30) und stromabwärts des ersten Katalysators (30) ein SCR-Katalysator (36, 38, 40) angeordnet ist, sowie mit einem Dosierelement (48, 52), welches in einem Abgaskanalsegment (90) stromabwärts des ersten Katalysators (30) und stromaufwärts des SCR-Katalysators (36, 38, 40) angeordnet ist, wobei das Abgaskanalsegment (90) durch ein elektrisches Heizelement (56) beheizbar ist. Befindet sich das Abgaskanalsegment (90) und der SCR-Katalysator (36, 38, 40) jeweils unterhalb einer Schwellentemperatur TS1, TS2und liegt die Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators (36, 38, 40) unterhalb eines Schwellenwertes für die Mindestbeladung, so wir das Abgaskanalsegment (90) elektrisch beheizt und Reduktionsmittel in das Abgaskanalsegment (90) eindosiert.Die Erfindung betrifft zudem ein Abgasnachbehandlungssystem zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors sowie eine Abgasnachbehandlungssystem zur Durchführung eines solchen Verfahrens gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellen hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Dabei stellen die Forderungen nach einem weiter sinkenden Verbrauch und die weitere Verschärfung der Abgasnormen hinsichtlich der zulässigen StickoxidEmissionen eine Herausforderung für die Motorenentwickler dar. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Weise über einen Drei-Wege-Katalysator, sowie dem Drei-Wege-Katalysator vor- und nachgeschaltete weitere Katalysatoren. Bei Dieselmotoren finden aktuell Abgasnachbehandlungssysteme Verwendung, welche einen Oxidationskatalysator, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren aufweisen. Als Reduktionsmittel wird dabei bevorzugt Ammoniak verwendet. Weil der Umgang mit reinem Ammoniak aufwendig ist, wird bei Fahrzeugen üblicherweise eine synthetische, wässrige Harnstofflösung verwendet, die in einer dem SCR-Katalysator vorgeschalteten Mischeinrichtung mit dem heißen Abgasstrom vermischt wird. Durch diese Vermischung wird die wässrige Harnstofflösung erhitzt, wobei die wässrige Harnstofflösung Ammoniak im Abgaskanal freisetzt. Eine handelsübliche, wässrige Harnstofflösung setzt sich im Allgemeinen aus 32,5 % Harnstoff und 67,5 % Wasser zusammen.
Ferner ist aus dem Stand der Technik bekannt, dem SCR-Katalysator ein elektrisches Heizelement vorzuschalten, um den SCR-Katalysator zu heizen. Häufig wird dieses elektrische Heizelement als elektrisch beheizbarer Oxidationskatalysator ausgeführt, so dass die Oxidation von unverbrannten Abgaskomponenten, insbesondere von unverbrannten Kohlenwasserstoffen oder Kohlenstoffmonoxid zusätzlich unterstützt wird.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Abgasnachbehandlung wird mit dem Dosierbeginn von wässriger Harnstofflösung so lange gewartet, bis die Temperatur in der Abgasanlage an der Dosierstelle der wässrigen Harnstofflösung ausreichend hoch ist, um zumindest eine teilweise Aufbereitung der wässrigen Harnstofflösung zu Ammoniak zu gewährleisten. Um die Freigabe der Dosierung der wässrigen Harnstofflösung zu verkürzen, wird das Abgas des Verbrennungsmotors durch gezielte innermotorische Maßnahmen, die den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors temporär verschlechtern, motorisch geheizt. Hierzu werden u.a. durch eine Nacheinspritzung von Dieselkraftstoff in den Brennraum unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid in die Abgasanlage ausgeschoben und auf dem Oxidationskatalysator exotherm umgesetzt. Dies hat einen negativen Effekt auf den Kraftstoffverbrauch und somit auf die Kohlenstoffdioxidemissionen des Fahrzeuges. Zudem kann eine späte Nacheinspritzung zu einer ungewollten Verdünnung des Motoröls führen, wenn Teile der Nacheinspritzung die Brennraumwände benetzen und sich dort mit dem Motoröl vermischen.
Aus der DE 10 2012 205 679 A1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor bekannt, in dessen Abgasanlage in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors ein Oxidationskatalysator, ein elektrisch beheizbarer SCR-Katalysator und ein weiterer SCR-Katalysator angeordnet sind.
Die EP 2 796 684 A1 offenbart ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Dieselmotor mit einem motornahen Oxidationskatalysator, einem SCR-Katalysator sowie einem dem SCR-Katalysator nachgeschalteten Dieselpartikelfilter. Dabei sind stromabwärts des Oxidationskatalysators und stromaufwärts des SCR-Katalysators ein Dosierelement zur Eindosierung von wässrigen Harnstofflösung in die Abgasanlage sowie ein elektrisch beheizbarer Abgasmischer angeordnet.
Auch die JP 2018 / 115 596 A offenbart ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem ersten Katalysator, einem Dosierelement, einem Abgasmischer und einem SCR-Katalysator, wobei der Abgasmischer mittels eines elektrischen Heizelements elektrisch beheizbar ist.
Aus der US 2011 / 0 131 958 A1 sind ein Abgasnachbehandlungssystem und ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors bekannt, bei dem das Abgas des Verbrennungsmotors durch das Abgasnachbehandlungssystem geleitet wird. Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst einen Dieselpartikelfilter und einen dem Dieselpartikelfilter nachgeschalteten SCR-Katalysator sowie einen Injektor zur Einspritzung von wässriger Harstofflösung stromaufwärts des SCR-Katalysators. Dabei ist ein Abgaskanalsegment stromabwärts des Dieselpartikelfilters und stromaufwärts des SCR-Katalysators mit einer Heizvorrichtung versehen, welche ein elektrisches Aufheizen der Abgasleitung in diesem Abgaskanalsegment ermöglicht.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Kaltstartverhalten eines SCR-Katalysators sowie die Reduktionsmittelaufbereitung zu verbessern und somit die Stickoxidemissionen in der Kaltstartphase eines Verbrennungsmotors weiter zu minimieren.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, welcher mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist, wobei in der Abgasanlage in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors ein ersten Katalysator, insbesondere ein Oxidationskatalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator, stromabwärts des ersten Katalysators mindestens ein Dosierelement zur Eindosierung eines Reduktionsmittels in die Abgasanlage und weiter stromabwärts mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere ein Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung oder ein SCR-Katalysator, angeordnet ist, wobei ein Abgaskanalsegment stromabwärts des ersten Katalysator, insbesondere stromabwärts eines Wabenkörpers des ersten Katalysators, und stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere stromaufwärts eines Wabenkörpers oder eines Filtersubstrats dieser Abgasnachbehandlungskomponente, ein elektrisches Heizelement angeordnet ist, gelöst, welches folgende Schritte umfasst.

- Ermitteln einer Temperatur des Abgaskanalsegments und einer Temperatur der Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden,
- Vergleichen der ermittelten Temperaturen mit einer jeweiligen Schwellentemperatur für das Abgaskanalsegment und die Abgasnachbehandlungskomponente,
- Ermitteln eines Beladungszustands der Ammoniakbeladung der Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden
- Vergleichen der Ammoniakbeladung mit einem Schwellenwert für die Mindestbeladung der Abgasnachbehandlungskomponente,
- Elektrisches Beheizen des Abgaskanalsegments und Eindosieren von Reduktionsmittel, insbesondere von wässriger Harnstofflösung, wenn die ermittelten Temperaturen unter der jeweiligen Schwellentemperatur liegen und die Ammoniakbeladung der Abgasnachbehandlungskomponente unterhalb des Schwellenwertes für die Mindestbeladung liegt.

Das Verfahren ermöglicht es, die Beladung eines SCR-Katalysators mit Ammoniak nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors zu beschleunigen und somit sicherzustellen, dass wenn der SCR-Katalysator seine Light-Off-Temperatur erreicht hat, hinreichend viel Ammoniak in dem SCR-Katalysator eingespeichert ist, um eine effiziente Konvertierung von Stickoxiden zu ermöglichen. Dadurch kann die Konvertierungsleistung von Stickoxiden in der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors verbessert werden.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten zusätzlichen Merkmale sind weitere Verbesserung und vorteilhafte Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch aufgeführten Verfahrens zur Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors möglich.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schwellentemperatur T_S1 für das Abgaskanalsegment im Bereich von 120°C - 220°C, vorzugsweise im Bereich von 135°C - 180°C liegt. In diesem Bereich ist es möglich, aus dem eindosierten Reduktionsmittel mit Hilfe von Thermolyse Ammoniak zu bilden, welcher in dem in Strömungsrichtung vorderen Bereich des SCR-Katalysator eingespeichert wird, welche als erstes die Light-Off-Temperatur erreicht. Dadurch kann die Konvertierungsleistung von Stickoxiden in der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors verbessert werden. Dadurch ist eine besonders einfache und effiziente Beladung des SCR-Katalysators mit Ammoniak möglich.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Schwellentemperatur T_S2 für die Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden unterhalb einer Light-Off-Temperatur für diese Abgasnachbehandlungskomponente liegt. Da die Ammoniakspeicherfähigkeit des SCR-Katalysators schon in einem Temperaturbereich von ca. 100°C sehr hoch ist, kann der SCR-Katalysator bereits effektiv mit Ammoniak beladen werden, bevor er seine Light-Off-Temperatur erreicht. Zudem kann im Temperaturbereich von 150°C - 200°C mittels Hydrolyse aus dem Reduktionsmittel an der katalytisch wirksamen Oberfläche des SCR-Katalysators Ammoniak gebildet werden, wodurch eine besonders effiziente Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators möglich ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Eindosierung von Reduktionsmittel und eine damit verbundene Beladung des Ammoniakspeichers der Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion beginnt, bevor diese Abgasnachbehandlungskomponente ihre Light-Off-Temperatur erreicht hat. Erfolgt die Eindosierung des Reduktionsmittels erst dann, wenn der SCR-Katalysator seine Light-Off-Temperatur bereits erreicht hat, so vergeht wertvolle Zeit, in welcher die Stickoxide unkonvertiert in die Umwelt emittiert werden. Durch das vorgeschlagene Verfahren kann die Konvertierungsleistung insbesondere in der Kaltstartphase verbessert und somit die Stickoxidemissionen gesenkt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Ammoniakbeladung der Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion durch ein Beladungsmodell in einem Steuergerät, vorzugsweise in einem Motorsteuergerät des Verbrennungsmotors, berechnet wird. Da der Ammoniakeintrag und der Ammoniakaustrag in den SCR-Katalysator bestimmt werden können, kann die Beladung auf einfache Art und Weise mittels eines Berechnungsmodells ermittelt werden.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass zusätzlich bei einem Abschaltewunsch des Verbrennungsmotors ein Beladungszustand der Abgasnachbehandlungskomponente ermittelt wird, und bei einer Ammoniakbeladung der Abgasnachbehandlungskomponente unterhalb des Schwellenwertes S_B für die Beladung vor dem Abschalten des Verbrennungsmotors wässrige Harnstofflösung durch das Dosierelement in das Abgaskanalsegment eindosiert wird, um die Ammoniakbeladung der Abgasnachbehandlungskomponente zu erhöhen. Dadurch kann die Abwärme der Abgasanlage beim Abschalten und Auslaufen des Verbrennungsmotors genutzt werden, um das Reduktionsmittel zu Ammoniak aufzubereiten. Zudem wird der Ammoniakspeicher des SCR-Katalysator auf diese Weise bereits beim Abschalten des Verbrennungsmotors gefüllt, sodass eine effiziente Konvertierung von Stickoxiden bei einem Neustart des Verbrennungsmotors gewährleistet ist.
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 ein ersten Katalysator, insbesondere ein Oxidationskatalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator, stromabwärts des ersten Katalysators mindestens ein Dosierelement zur Eindosierung eines Reduktionsmittels in die Abgasanlage und weiter stromabwärts mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere ein Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung oder ein SCR-Katalysator, angeordnet ist, wobei ein Abgaskanalsegment stromabwärts des ersten Katalysator, insbesondere stromabwärts eines Wabenkörpers des ersten Katalysators und stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere Stromaufwärts eines Wabenkörpers oder eines Filtersubstrats dieser Abgasnachbehandlungskomponente ein elektrisches Heizelement angeordnet ist, sowie mit einem Steuergerät, welches dazu eingerichtet ist, ein solches Verfahren zur Abgasnachbehandlung durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode, welcher in einer Speichereinheit des Steuergeräts abgelegt ist, durch einen Recheneinheit des Steuergeräts ausgeführt wird. Durch ein solches Abgasnachbehandlungssystem ist eine besonders effiziente Konvertierung und eine Minimierung des Stickoxidemissionen möglich.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass in der Abgasanlage ein motornaher erster SCR-Katalysator, insbesondere ein Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung, und mindestens ein stromabwärts des motornahen ersten SCR-Katalysators angeordneter zweiter SCR-Katalysator angeordnet sind, wobei stromabwärts des ersten Katalysators und stromaufwärts des motornahen ersten SCR-Katalysators ein elektrisches Heizelement angeordnet ist. Durch zwei SCR-Katalysatoren kann der Betriebsbereich erweitert werden, bei dem wenigstens ein SCR-Katalysator eine zur Konvertierung von Stickoxiden notwendige Ammoniakbeladung und eine hinreichende Temperatur aufweist. Da der motornahe erste Katalysator im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors heißer ist als der motorferne zweite SCR-Katalysator, so ist der Ammoniakspeicher des ersten SCR-Katalysators gerade nach einem Hochlastbetrieb, bei dem die Konvertierung der Stickoxide überwiegend oder ausschließlich durch den zweiten SCR-Katalysator erfolgt, entleert. Daher ist das vorgeschlagene Verfahren insbesondere bei einem Abgasnachbehandlungssystem mit zwei SCR-Katalysatoren hilfreich, um eine Konvertierung von Stickoxiden durch den ersten SCR-Katalysator möglichst zeitnah nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors zu ermöglichen.
In einer weiteren Verbesserung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass in der Abgasanlage stromabwärts des motornahen ersten SCR-Katalysators ein Entkopplungselement angeordnet ist, wobei in einem zweiten Abgaskanalsegment stromabwärts des Entkopplungselements und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators ein zweites Dosierelement angeordnet ist, wobei in dem zweiten Abgaskanalsegment ein weiteres elektrisches Heizelement angeordnet ist, mit welchem der Abgasstrom des Verbrennungsmotors vor Eintritt in den zweiten SCR-Katalysator beheizbar ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass in dem Abgaskanalsegment ein Abgasmischer angeordnet ist, wobei das elektrische Heizelement in den Abgasmischer integriert ist. Durch eine Integration des elektrischen Heizelements in den Abgasmischer kann ein Bauteil eingespart werden, wodurch die Montage des Abgasnachbehandlungssystems erleichtert wird. Zudem können Ablagerungen an dem Abgasmischer minimiert werden, da die Neigung zu Ablagerungen mit einem entsprechend heißeren Abgasmischer abnimmt.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Es zeigen:

1 einen Verbrennungsmotor mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem, welches einen Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung und einen weiteren SCR-Katalysator umfasst;
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor mit einem elektrischen Heizelement in der Mischstrecke stromaufwärts eines SCR-Katalysators;
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor mit einem elektrischen Heizelement in der Mischstrecke stromaufwärts eines SCR-Katalysators;
4 einen Temperaturverlauf über einen SCR-Katalysator nach einem Kaltstart eines Verbrennungsmotor;
5 die mögliche Ammoniak-Speichermenge eines SCR-Katalysators in Abhängigkeit von der Temperatur des SCR-Katalysators;
6 ein Schaubild zur Bildung von Ammoniak aus wässriger Harnstofflösung mittels Thermolyse und Hydrolyse; und
7 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors.

1 zeigt die schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 10. Der Verbrennungsmotor 10 ist als direkteinspritzender Dieselmotor ausgeführt. Der Verbrennungsmotor 10 weist mehrere Brennräume 12 auf. An den Brennräumen 12 ist jeweils ein Kraftstoffinjektor 14 zur Einspritzung eines Kraftstoffes in den jeweiligen Brennraum 12 angeordnet. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Einlass 16 mit einem Luftversorgungssystem und mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 20 verbunden. 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.
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 28 im Luftversorgungssystem des Verbrennungsmotors 10 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. Stromabwärts der Turbine 26 ist als motornahe erste Abgasnachbehandlungskomponente ein erster Katalysator 30, insbesondere ein Oxidationskatalysator 32 oder ein NOx-Speicherkatalysator 34 angeordnet. Stromabwärts des ersten Katalysators 30 ist ein Umlenkelement 46 angeordnet, an welchem ein erstes Dosierelement 48 zur Eindosierung von wässriger Harnstofflösung in den Abgaskanal 22 angeordnet ist. Stromabwärts des Umlenkelements 46 ist in dem Abgaskanal 22 ein motornaher Partikelfilter 36 mit einer SCR-Beschichtung 38 angeordnet. Alternativ kann hier auch ein SCR-Katalysator 38 gefolgt von einem Partikelfilter 36 mit einer SCR-Beschichtung 38 angeordnet sein. Der Abgaskanal 22 kann in einem Abgaskanalsegment 90 stromabwärts des ersten Katalysators und stromaufwärts des Partikelfilters 36 mit der SCR-Beschichtung 38, insbesondere im Bereich des ersten Dosierelements 48, durch eine elektrisches Heizelement 56 beheizt werden, um die Aufbereitung von Ammoniak aus der wässrigen Harnstofflösung zu begünstigen. Stromabwärts des Partikelfilter 36 ist ein Entkopplungselement 50 vorgesehen, und weiter stromabwärts ein zweites Dosierelement 52 zur Eindosierung der wässrigen Harnstofflösung. In einem zweiten Abgaskanalsegment 92 stromabwärts des zweiten Dosierelements 52 ist ein Abgasmischer 54 vorgesehen, welcher eine verbesserte Durchmischung der eindosierten wässrigen Harnstofflösung mit dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 sicherstellen soll. Stromabwärts des zweiten Dosierelements 52 und des zweiten SCR-Katalysators 40, insbesondere stromaufwärts eines Wabenkörpers 70 des zweiten SCR-Katalysators 40 ist ein elektrisches Heizelement 56 angeordnet, um die Aufbereitung der wässrigen Harnstofflösung zu Ammoniak zu unterstützen. Zudem fördert der Abgasmischer 54 die Aufbereitung von der wässrigen Harnstofflösung zu Ammoniak. Alternativ oder zusätzlich zu einem separaten elektrischen Heizelement 56 kann auch der Abgasmischer 54 als elektrisch beheizbarer Abgasmischer 58 ausgeführt sein. In diesem Fall sind die Heizfunktion und die Aufbereitungsfunktion in einem Bauteil vereint.
Stromabwärts des Abgasmischers 54 ist ein zweiter SCR-Katalysator 40 angeordnet, welcher vorzugsweise in einer Unterbodenposition eines Kraftfahrzeugs positioniert ist. Stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators 40 können ein weiterer SCR-Katalysator 42 und/oder ein Ammoniak-Sperrkatalysators 44 angeordnet sein. Ferner sind in oder an der Abgasanlage eine Vielzahl von Sensoren 60, 62, 64, 66, 68, insbesondere ein oder mehrere Temperatursensor(en) 60, ein oder mehrere Abgassensor(en) 62, insbesondere NH3-Sensor(en) 64, NOx-Sensor(en) 66 und/oder Lambdasonden 68, angeordnet.
Der Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Steuergerät 80 verbunden, welches über nicht dargestellte Signalleitungen mit den Sensoren 60, 62, 64, 66, 68 sowie mit den Kraftstoffinjektoren 14 des Verbrennungsmotors 10 und den Dosierventilen 48, 52 verbunden ist. Das Steuergerät 80 weist eine Speichereinheit 84 zur Speicherung eines Programmcodes 82 und eine Recheneinheit 86 auf.
In 2 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Abgasnachbehandlungssystems dargestellt, welches einen ersten Katalysator 30, insbesondere einen Oxidationskatalysator 32 oder einen NOx-Speicherkatalysator 34 und eine SCR-Katalysator 36, 38, 40, insbesondere einen Partikelfilter 36 mit einer SCR-Beschichtung 38 umfasst. Der erste Katalysator 30 umfasst ein Katalysatorgehäuse 72 und einen in dem Katalysatorgehäuse 72 angeordneten Wabenkörper 70 mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung. Der SCR-Katalysator 36, 38, 40 umfasst ein Gehäuse 76, in welchem ein weiterer Wabenkörper 78 oder ein Filtersubstrat 74 mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung angeordnet ist. In einem Abgaskanalsegment 90 stromabwärts des ersten Katalysators 30 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 36, 38, 40 sind in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors durch das Abgaskanalsegment 90 ein Dosierelement 48, 52, ein Abgasmischer 54 und ein elektrisches Heizelement 56 angeordnet. Um die Aufheizzeit in dem Abgaskanalsegment zu verkürzen und die Ammoniakaufbereitung aus der wässrigen Harnstofflösung zu beschleunigen, ist das Heizelement 56 vorzugsweise stromabwärts des Wabenkörpers 70 des ersten Katalysators 30 und stromaufwärts des Filtersubstrats 74 des SCR-Katalysators 36, 38, 40 angeordnet, damit die Heizleistung vollständig zum Aufheizen des Abgaskanalsegments zur Verfügung steht und das Aufheizen nicht durch ein paralleles Aufheizen einer Katalysatoren 30, 36, 38, 40 verzögert wird.
In 3 ist ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines bevorzugten Abgasnachbehandlungssystems dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichen Aufbau wie zu 2 ausgeführt, ist in diesem Ausführungsbeispiel das elektrische Heizelement 56 auslassseitig, insbesondere stromabwärts eines Wabenkörpers 70 des ersten Katalysators 30 in den ersten Katalysator 30 integriert. Somit wird die durch das elektrische Heizelement 56 erzeugte Wärme bereits stromaufwärts des Dosierelements 48, 52 in den Abgaskanal 22 eingeleitet, sodass das elektrische Heizelement 56 ausschließlich die Thermolyse des Reduktionsmittels vor dem Eintritt in den SCR-Katalysator 36, 38, 40 unterstützt.
Die Grundidee des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, die Wärme, welche für die Aufbereitung des Ammoniaks aus der wässrigen Harnstofflösung notwendig ist, in unmittelbarer Nähe des Dosierelements 48, 52 einzubringen, dadurch kann auf innermotorische Heizmaßnahmen verzichtet werden. Innermotorische Heizmaßnahmen haben neben der Gefahr der Verdünnung des Motoröls mit dem Kraftstoff den Nachteil, dass zunächst sämtliche Komponenten 26, 30, 32, 34 in der Abgasanlage 20 stromaufwärts des Dosierelements 48, 52 aufgewärmt werden müssen und somit vergleichsweise viel Zeit nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 vergeht, bevor die Eindosierung der wässrigen Harnstofflösung freigegeben werden kann. Bei hinreichender Temperatur wird die wässrige Harnstofflösung durch Thermolyse und Hydrolyse zu Ammoniak aufbereitet, welches die wirksame Substanz zur Reduktion der Stickoxiden an den SCR-Katalysatoren 36, 38, 40, 42 ist.
Es hat sich gezeigt, dass insbesondere bei Abgasnachbehandlungssystemen mit mehreren SCR-Katalysatoren 36, 38, 40, 42 und mehreren Dosierelementen 48, 52, es in der Praxis vorkommt, dass der in der Abgasanlage 20 motornäher angeordnet SCR-Katalysator 36, 38 für den Kaltstart nicht genügend Ammoniak gespeichert hat und somit wertvolle Zeit bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 verloren geht, in welcher die Stickoxidemissionen unkonvertiert in die Umwelt gelangen. Dies wird durch eine temperaturabhängige Ammoniakspeicherfähigkeit des SCR-Katalysators 36, 38 verursacht. Der motornäher angeordnete erste SCR-Katalysator 36, 38 hat ohne zusätzliche Heizmaßnahmen zwangsläufig eine höherer Temperatur als die motorfernen SCR-Katalysatoren 40, 42 und damit verbunden auch eine niedrigere Ammoniakspeicherfähigkeit, da diese mit steigender Temperatur abnimmt. Außerdem ist es möglich, dass aufgrund der Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors 10 bei einem Abgasnachbehandlungssystem mit zwei Dosierelementen in gewissen Betriebssituationen, insbesondere bei hoher Motorlast, die Eindosierung der wässrigen Harnstofflösung ausschließlich durch das zweite, motorfernere Dosierelement 52 erfolgt. In diesem Betriebszustand entleert sich der Ammoniakspeicher des motornahen ersten SCR-Katalysators 36, 38.
Kritisch in Bezug auf geringe Stickoxidemissionen ist ein motorischer Kaltstart, bei dem auf dem ersten motornahen SCR-Katalysator 36, 38 eine zu geringe Menge Ammoniak aus der vorhergehenden Betriebsphase und vor Abstellen des Verbrennungsmotors 10 gespeichert ist. In diesem Fall muss für die Stickoxidreduktion das notwendige Ammoniak bei sehr geringen Temperaturen während des Kaltstarts des Verbrennungsmotors über Thermolyse und Hydrolyse aufbereitet und dem SCR-Katalysator 36, 38 zur Verfügung gestellt werden. Im Kaltstart verbessert eine möglichst hohe Ammoniakbeladung des ersten SCR-Katalysators 36, 38 die Stickoxidreduktion, die aber aktuell nicht ohne Heizmaßnahmen im Kaltstart effektiv angehoben werden kann.
SCR-Katalysatoren 36, 38, 40 weisen besonders beim Kaltstart aufgrund der Wärmekapazität ein sehr stark axiales Temperaturgefälle auf. Der vordere Bereich erwärmt sich aufgrund der heißen Motorabgasanströmung sehr schnell, der SCR-Katalysator 36, 38, 40 weist axial jedoch ein starkes Temperaturgefälle auf, die hinteren Zonen des SCR-Katalysators 36, 38, 40 bleiben nach einem Motorstart des Verbrennungsmotors 10 vergleichsweise lange kalt. Ein typischer Temperaturverlauf über einen SCR-Katalysator 36, 38, 40 in axialer Richtung ist in 4 dargestellt.
Damit der SCR Katalysator 36, 38, 40 eingespeicherte Stickoxide mit Ammoniak zu molekularem Stickstoff reduzieren kann, müssen besonders beim Kaltstart die Ammoniak-Speicherplätze im vorderen Bereich des SCR-Katalysators 36, 38, 40 mit Ammoniak gefüllt sein. In der „heißen“ vorderen Reaktionszone auf dem SCR-Katalysator 36, 38, 40 bei Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 müssen sowohl Stickoxide als auch insbesondere Ammoniak vorhanden sein. Eine nachfolgende Reduktion der Stickoxide in kalten, mit Ammoniak belegten Bereichen des SCR-Katalysators 36, 38, 40 ist nicht möglich.
Abhängig von der Eindosierung der wässrigen Harnstofflösung im Betrieb des Verbrennungsmotors 10 kann beim Abstellvorgang des Kraftfahrzeuges der Speicherbereich für Ammoniak im ersten SCR-Katalysator 36, 38, insbesondere im in axialer Richtung vorderen Bereich des ersten SCR-Katalysators 36, 38 weitgehend entleert sein. Damit bei einem folgenden Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 eine möglichst schnelle Konvertierung der Stickoxidemissionen sichergestellt werden kann, muss in dem vorderen Bereich des ersten SCR-Katalysators 36, 38 nach erfolgtem Kaltstart möglichst schnell Ammoniak eingelagert werden.
Die Reduktionsmittelzufuhr erfolgt durch das erste Dosierelement 48, wobei das Ammoniak auf dem Wege der Thermolyse und Hydrolyse aus der wässrigen Harnstofflösung gebildet wird. Die Ammoniakbildung erfolgt dabei im Wesentlichen in zwei Schritten:

1.) Ab ca. 135°C durch Thermolyse der wässrigen Harnstofflösung (NH₂)₂CO => NH₃ (Ammoniak) + HNCO (Isocyansäure)
2.) Im Temperaturbereich von 150°C - 200°C durch Hydrolyse der Isocyansäure HNCO (Isocyansäure) + H₂O (Wasser) = NH₃ (Ammoniak) + CO₂ (Kohlenstoffdioxid)

In 6 ist der relevante Temperaturbereich für die Ammoniak-Bereitstellung über Thermolyse und Hydrolyse dargestellt. Die Ammoniak-Bereitstellung, die AmmoniakSpeicherfähigkeit sowie die Konvertierung der Stickoxide mittels selektiver, katalytischer Reduktion sind somit abhängig von der Bauteiltemperatur des jeweiligen SCR-Katalysators 36, 38, 40.
Die Einlagerung von Ammoniak in die Speicherstruktur auf dem jeweiligen SCR-Katalysator 36, 38, 40 ist bereits bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen möglich. Bereits bei Temperaturen von ca. 100°C ist ein SCR-Katalysator 36, 38, 40 in der Lage, hohe Mengen an Ammoniak einzuspeichern. Voraussetzung ist jedoch eine Aufbereitung und Umwandlung von wässriger Harnstofflösung zu Ammoniak in dem Abgaskanalsegment 90, 92 stromaufwärts des jeweiligen SCR-Katalysators 36, 38, 40. Prinzipiell nimmt die maximal mögliche Speichermenge an Ammoniak mit der Bauteiltemperatur des SCR-Katalysators 36, 38, 40 ab. In 5 ist die mögliche Speicherbeladung eines SCR-Katalysators 36, 38, 40 in Abhängigkeit von der Bauteiltemperatur des jeweiligen SCR-Katalysators 36, 38, 40 dargestellt.
Die Erwärmung des SCR-Katalysators 36, 38, 40, insbesondere des Filtersubstrats 74 oder des Wabenkörpers 70 des SCR-Katalysators 36, 38, 40 erfolgt durch das Motorabgas des Verbrennungsmotors 10 von vorne nach hinten. Nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 kann eine chemische Reaktion zunächst nur im vorderen (warmen) Bereich des jeweiligen SCR-Katalysators 36, 38, 40 erfolgen. Für eine möglichst schnelle und effiziente Konvertierung der Stickoxidemissionen nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 muss sichergestellt werden, dass besonders im vorderen Bereich des jeweiligen SCR-Katalysators 36, 38, 40 Ammoniak eingelagert ist und für eine katalytische Nachreaktion zur Verfügung steht. Sind lediglich Ammoniak-Speicherplätze im in Strömungsrichtung hinteren Bereich des SCR-Katalysators 36, 38, 40 mit Ammoniak belegt, die sich im Kaltstart aufgrund der vorliegenden Wärmekapazitäten erst spät erwärmen, steht dieser Anteil an Ammoniak zunächst nicht für die Stickoxidreduktion zur Verfügung. Die schnellere Gemischaufbereitung der wässrigen Harnstofflösung erfolgt durch ein elektrisches Heizelement 56, welches unmittelbar nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 elektrisch aufgeheizt wird. Das elektrische Heizelement 56 kann hierbei unmittelbar stromabwärts oder unmittelbar stromaufwärts des jeweiligen Dosierelements 48, 52 angeordnet sein.
Das elektrische Heizelement 56 dient hierbei folgendem Zweck: Es erfolgt eine schnellere Erwärmung der Zone im Abgaskanal 22, in der die Aufbereitung der dosierten Harnstoffwasserlösung zum wirksamen Ammoniak hin stattfindet. Damit kann mit dem Dosieren der Harnstoffwasserlösung deutlich früher begonnen werden und dadurch wird dem danach folgenden SCR-Katalysator 36, 38, 40 früher Ammoniak für die Stickoxidreduktion bereitgestellt. Der Ammoniakfüllstand im danach folgenden SCR-Katalysator 36, 38, 40 kann durch diese Maßnahme effektiv und schnell auf ein für maximalen Stickoxidumsatz erforderliches Maß angehoben werden, insbesondere in der als erstes aktiven vorderen Zone des ersten SCR-Katalysators 36, 38, 40.
Durch direkte Positionierung des elektrischen Heizelements 36 stromaufwärts des jeweiligen SCR-Katalysator 36, 38, 40 erfolgt eine schnelle Aufwärmung des für die Stickoxidreduktion notwendigen SCR-Katalysators 36, 38, 40. Dabei wird die Gemischaufbereitungszone stromabwärts des entsprechenden Dosierventils 48, 52 schneller aufgeheizt als der nachfolgende SCR-Katalysator 36, 38, 40 selbst. Somit setzt die Thermolyse und Hydrolyse zeitlich früher ein, bevor der jeweilige SCR-Katalysator 36, 38, 40 seine Light-Off-Temperatur erreicht hat. Die elektrische Beheizung der Gemischaufbereitungszone ermöglicht eine unmittelbar nach Kaltstart mögliche Dosierfreigabe der Dosierelemente 48, 52 und die Eindosierung von wässriger Harnstofflösung in den geheizten Bereich des Abgaskanals 22. Der Bereich des elektrischen Heizelements 54 bildet während des Kaltstarts des Verbrennungsmotors 10 einen Hot-Spot, der es ermöglicht wässrige Harnstofflösung über Hydrolyse und Thermolyse aufzubereiten und dem stromab angeordneten SCR-Katalysator 36, 38, 40 zur Verfügung zu stellen, auch wenn der restliche Teil der Abgasanlage 20 durch das Motorabgas noch nicht aufgeheizt wurde.
Ein in der Abgasanlage 20 vorhandener Abgasmischer 54 kann auch als elektrisch beheizbarer Abgasmischer 58 ausgeführt werden. Damit übernimmt dieses Bauteil zwei Funktionen: in allen Betriebsbereichen des Verbrennungsmotors 10 wird durch die Oberfläche des Bauteils die Aufbereitung der eingebrachten wässrigen Harnstofflösung unterstützt. Da bei Temperaturen unterhalb von 180°C - 200°C in der Abgasanlage 20 die Aufbereitung der wässrigen Harnstofflösung zu Ammoniak nur langsam und nicht vollständig abläuft, wird vor allem in Bereichen mit niedrigen Abgastemperaturen durch das elektrische Beheizen des elektrisch beheizbaren Abgasmischers 58 der Wirkungsgrad des Abgasnachbehandlungssystems in Bezug auf die Stickoxidkonvertierung verbessert. Durch die beschleunigte Aufbereitung der wässrigen Harnstofflösung zu Ammoniak durch ein elektrisches Heizelement 56 werden unmittelbar nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 die Ammoniak-Speicherplätze im in Strömungsrichtung vorderen Bereich des SCR-Katalysators 36, 38, 40 mit Ammoniak befüllt. Das in diesem Bereich des jeweiligen SCR-Katalysators 36, 38, 40 eingespeicherte Ammoniak steht somit nach Erreichen der Light-Off-Temperatur in dem vorderen Bereich des jeweiligen SCR-Katalysators unmittelbar zur Konvertierung der Stickoxidemissionen zur Verfügung.
Die thermische Aufbereitung der wässrigen Harnstofflösung gliedert sich in die zwei Reaktionsschritte Thermolyse und Hydrolyse. Unter idealen Bedingungen kann in der Abgasanlage die Thermolyse in der Gasphase vollständig abgeschlossen werden, sodass stromaufwärts des SCR-Katalysators maximal 50% der verfügbaren Ammoniakmenge gebildet werden. Im Gegensatz dazu läuft die Hydrolyse nur auf einer katalytischen Oberfläche mit einer ausreichenden Geschwindigkeit ab. Geeignete katalytische Beschichtungen sind beispielsweise Aluminiumoxid, Titandioxid oder die SCR-Beschichtung 38 des Partikelfilters 36 oder eines SCR-Katalysators 40. Dies bedeutet, dass mindestens 50% der Ammoniakmenge erst im SCR-Katalysator 36, 38, 40 gebildet werden. Dieser Sachverhalt wirkt sich gegenüber einer gasförmigen Dosierung von Ammoniak negativ aus. Für den Fall, dass das elektrische Heizelement 56, insbesondere ein elektrisch beheizbarer Abgasmischer, katalytisch beschichtet ist, kann die Hydrolyse unterstützt werden. Dadurch wird der stromabwärts des elektrischen Heizelements 56 angeordnete SCR-Katalysator 36, 38, 40 von der Aufbereitung der wässrigen Harnstofflösung zumindest teilweise entlastet. Zudem besteht durch das elektrische Beheizen des elektrischen Heizelements 56 und eine entsprechende Regelung die Möglichkeit, die Oberflächentemperatur des elektrischen Heizelements 56 entsprechend einzustellen und somit ideale Bedingungen für die Hydrolyse zu schaffen.
Für den Fall, dass sich das elektrische Heizelement 54 stromaufwärts des Dosierelements 48, 52 befindet, wird vor dem Eintritt in den nachfolgenden SCR-Katalysator 36, 38, 40 ausschließlich die Thermolyse unterstützt.
Alternativ oder zusätzlich zu einer möglichst frühen Harnstoffaufbereitung direkt nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 kann das elektrischen Heizelement 56 auch zur Aufbereitung der wässrigen Harnstofflösung im Rahmen eines Nachlaufs beim Abstellen des Verbrennungsmotors 10 verwendet werden. Dies kann genutzt werden, wenn beim Abstellen des Verbrennungsmotors 10 erkannt wird, dass der erste SCR-Katalysator 36, 38 für den nächsten Startvorgang nicht ausreichend mit Ammoniak beladen ist. Ein Vorteil dieser Nachbereitung liegt darin, dass die Restwärme der Abgasanlage 20 zusätzlich zum elektrischen Heizelement 56 genutzt werden kann, sodass weniger Energie für die elektrische Beheizung des elektrischen Heizelements 56 notwendig ist. Auf diese Weise ist der erste SCR-Katalysator 36, 38 zum Zeitpunkt eines Neustarts des Verbrennungsmotors 10 hinreichend mit Ammoniak beladen.
In 7 ist ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors 10 dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt <100> werden die Temperatur T_AKS des Abgaskanalsegmentes 90 zwischen dem ersten Katalysator 30 und dem Partikelfilter 36 mit der SCR-Beschichtung 38, also dem ersten SCR-Katalysator 36, 38 sowie die Temperatur T_SCR1 des ersten SCR-Katalysators 36, 38 ermittelt. In einem zweiten Verfahrensschritt <110> werden die Temperaturen T_AKS, T_SCR1 jeweils mit einem Schwellenwert T_S1, T_S2 für die jeweilige Temperatur T_AKS, T_SCR1 verglichen. Ferner wird in einem Verfahrensschritt <120> die aktuelle Ammoniakbeladung des ersten SCR-Katalysators 36, 38 ermittelt und in einem Verfahrensschritt <130> mit einem Schwellenwert S_BA für eine notwendige Mindestbeladung zur selektiven, katalytischen Reduktion verglichen. In einem folgenden Verfahrensschritt <140> wird das Abgaskanalsegment 90 stromabwärts des ersten Katalysators 30 und stromaufwärts des Partikelfilters 36 mit der SCR-Beschichtung 38 durch das elektrischen Heizelement 56 beheizt und in einem Verfahrensschritt <150> die wässrige Harnstofflösung eindosiert, wenn die im Verfahrensschritt <100> ermittelten Temperaturen T_AKS, T_SCR1 unter den jeweiligen Schwellentemperaturen T_S1, T_S2 liegen und der Beladungszustand des SCR-Katalysators 36, 38 unterhalb des Schwellenwerts SBA für die Mindestbeladung liegt.
Für den Fall, dass die Temperaturen T_AKS, T_SCR1 im Abgaskanalsegment und im ersten SCR-Katalysator 36, 38 ausreichend hoch sind und über den jeweiligen Schwellentemperaturen T_S1, T_S2 liegen, der Ammoniakspeicher jedoch eine Beladung unterhalb des Schwellenwertes für die Mindestbeladung SAB aufweist, wird die Dosierfreigabe des ersten Dosierelements 48 erteilt, ohne dass das elektrische Heizelement 56 aktiviert wird.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Brennraum
14: Kraftstoffinjektor
16: Einlass
18: Auslass
20: Abgasanlage
22: Abgaskanal
24: Abgasturbolader
26: Turbine
28: Verdichter
30: erster Katalysator
32: Oxidationskatalysator
34: NOx-Speicherkatalysator
36: Partikelfilter
38: SCR-Beschichtung
40: SCR-Katalysator
42: weiterer SCR-Katalysator
44: Ammoniak-Sperrkatalysator
46: Umlenkelement
48: erstes Dosierelement
50: Entkopplungselement
52: zweites Dosierelement
54: Abgasmischer
56: elektrisches Heizelement
58: elektrisch beheizbarer Abgasmischer
60: Temperatursensor
62: Abgassensor
64: NH3-Sensor
66: NOx-Sensor
68: Lambdasonde
70: Wabenkörper
72: Gehäuse (des ersten Katalysators)
74: Filtersubstrat
76: Gehäuse (des SCR-Katalysators)
78: Wabenkörper (des SCR-Katalysators)
80: Steuergerät
82: Programmcode
84: Speicher
86: Recheneinheit
90: erstes Abgaskanalsegment
92: zweites Abgaskanalsegment

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012205679 A1 [0005]
EP 2796684 A1 [0006]
JP 2018/115596 A [0007]
US 2011/0131958 A1 [0008]

Claims

Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10), welcher mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (20) verbunden ist, wobei in der Abgasanlage (20) in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors (10) ein erster Katalysator (30, 32, 34), stromabwärts des ersten Katalysators mindestens ein Dosierelement (48, 52) zur Eindosierung eines Reduktionsmittels in die Abgasanlage (20) und weiter stromabwärts mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente (36, 38, 40, 42) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet ist, wobei ein Abgaskanalsegment (90) stromabwärts des ersten Katalysators (30, 32, 34) und stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente (36, 38, 40, 42) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ein elektrisches Heizelement (56, 58) angeordnet ist, umfassend folgende Schritte: - Ermitteln einer Temperatur T_AKS des Abgaskanalsegments (90, 92) und einer Temperatur T_SCR der Abgasnachbehandlungskomponente (36, 38, 40, 42) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, - Vergleichen der ermittelten Temperaturen T_AKS, T_SCR mit einer jeweiligen Schwellentemperatur T_S1, T_S2 für das Abgaskanalsegment (90, 92) und die Abgasnachbehandlungskomponente (36, 38, 40, 42), - Ermitteln eines Beladungszustands der Ammoniakbeladung der Abgasnachbehandlungskomponente (36, 38, 40, 42) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden - Vergleichen der Ammoniakbeladung mit einem Schwellenwert S_B für die Mindestbeladung der Abgasnachbehandlungskomponente (36, 38, 40, 42) - elektrisches Beheizen des Abgaskanalsegments (90, 92) und Eindosieren von Reduktionsmittel in das Abgaskanalsegment (90, 92), wenn die ermittelten Temperaturen T_AKS, T_SCR unter der jeweiligen Schwellentemperatur T_S1, T_S2 liegen und die Ammoniakbeladung der Abgasnachbehandlungskomponente (36, 38, 40, 42) unterhalb des Schwellenwertes S_B für die Mindestbeladung liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellentemperatur T_S1 für das Abgaskanalsegment (90, 92) im Bereich von 120 - 220°C liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellentemperatur T_S2 für die Abgasnachbehandlungskomponente (36, 38, 40, 42) zur selektiven, katalytischen Reduktion unterhalb einer Light-Off-Temperatur für die Abgasnachbehandlungskomponente (36, 38, 40, 42) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eindosierung von Reduktionsmittel und eine damit verbundene Beladung des Ammoniakspeichers der Abgasnachbehandlungskomponente (36, 38, 40, 42) beginnt, bevor die Abgasnachbehandlungskomponente (36, 38, 40, 42) ihre Light-Off-Temperatur erreicht hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ammoniakbeladung der Abgasnachbehandlungskomponente (36, 38, 40, 42) zur selektiven, katalytischen Reduktion durch ein Beladungsmodell in einem Steuergerät (80) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich bei einem Abschaltewunsch des Verbrennungsmotors (10) ein Beladungszustand der Abgasnachbehandlungskomponente (36, 38, 40, 42) ermittelt wird, und bei einer Ammoniakbeladung der Abgasnachbehandlungskomponente (36, 38, 40, 42) unterhalb des Schwellenwerts S_B für die Beladung vor dem Abschalten des Verbrennungsmotors (10) wässrige Harnstofflösung in das Abgaskanalsegment (90) eindosiert wird, um die Ammoniakbeladung der Abgasnachbehandlungskomponente (36, 38, 40, 42) zu erhöhen.
Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor (10), welcher mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (20) verbunden ist, wobei in der Abgasanlage (20) in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors (10) ein erster Katalysator (30, 32, 34), stromabwärts des ersten Katalysators mindestens ein Dosierelement (48, 52) zur Eindosierung eines Reduktionsmittels in die Abgasanlage (20) und weiter stromabwärts mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente (36, 38, 40, 42) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet ist, wobei ein Abgaskanalsegment (90) stromabwärts eines Wabenkörpers (70) des ersten Katalysators (30, 32, 34) und stromaufwärts eines Filtersubstrat (74) oder eines Wabenkörpers (76) der Abgasnachbehandlungskomponente (36, 38, 40, 42) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ein elektrisches Heizelement (56, 58) angeordnet ist, sowie mit einem Steuergerät (80), umfassend eine Speichereinheit (84) und eine Recheneinheit (86), wobei in der Speichereinheit (84) ein Programmcode abgelegt ist, welcher bei Ausführung durch die Recheneinheit (86) ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausführt.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasanlage (20) ein motornaher erster SCR-Katalysator (36, 38), insbesondere ein Partikelfilter (36) mit einer SCR-Beschichtung (38) und mindestens ein stromabwärts des motornahen ersten SCR-Katalysators (36, 38) angeordneter zweiter SCR-Katalysator (40, 42) angeordnet sind, wobei stromabwärts des ersten Katalysators (30) und stromaufwärts des motornahen ersten SCR-Katalysators (36, 38) ein elektrisches Heizelement (56) angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasanlage (20) stromabwärts des motornahen ersten SCR-Katalysators (36, 38) ein Entkopplungselement (50) angeordnet ist, wobei in einem zweiten Abgaskanalsegment (92) stromabwärts des Entkopplungselement (50) und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators (40, 42) ein zweites Dosierelement (52) angeordnet ist, wobei in dem zweiten Abgaskanalsegment (92) ein weiteres elektrisches Heizelement (56) angeordnet ist, mit welchem der Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10) vor Eintritt in den zweiten SCR-Katalysator (40, 42) beheizbar ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abgaskanalsegment (90, 92) ein Abgasmischer (54) angeordnet ist, wobei das elektrische Heizelement (56) in den Abgasmischer integriert ist.