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Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor 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 Stickoxid-Emissionen eine Herausforderung für die Motorenentwickler dar. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Weise über einen Drei-Wege-Katalysator, sowie dem Drei-Wege-Katalysator vor- und nachgeschaltete weitere Katalysatoren. Bei Dieselmotoren finden aktuell Abgasnachbehandlungssysteme Verwendung, welche einen Oxidationskatalysator, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren aufweisen. Als Reduktionsmittel wird dabei bevorzugt Ammoniak verwendet. Weil der Umgang mit reinem Ammoniak aufwendig ist, wird bei Fahrzeugen üblicherweise eine synthetische, wässrige Harnstofflösung verwendet, die in einer dem SCR-Katalysator vorgeschalteten Mischeinrichtung mit dem heißen Abgasstrom vermischt wird. Durch diese Vermischung wird die wässrige Harnstofflösung erhitzt, wobei die wässrige Harnstofflösung Ammoniak im Abgaskanal freisetzt. Eine handelsübliche, wässrige Harnstofflösung setzt sich im Allgemeinen aus 32,5 % Harnstoff und 67,5 % Wasser zusammen.
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Die zukünftige Abgasgesetzgebung erfordert es, bei Dieselmotoren mehrstufige Komponenten zur Nachbehandlung der Stickoxid-Emissionen einzusetzen. Die mehrstufige Abgasnachbehandlung ist notwendig, um in allen Temperaturbereichen eine hinreichende Konvertierung der Schadstoffe zu erzielen. So kann ein Abgasnachbehandlungssystem beispielsweise einen NOx-Speicherkatalysator, einen Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden und einen weiteren SCR-Katalysator in einer Unterbodenlage des Kraftfahrzeuges aufweisen. Um eventuelle Durchbrüche von Ammoniak durch den SCR-Katalysator zu eliminieren und das Ammoniak zu oxidieren, kann stromabwärts des letzten SCR-Katalysators ein Ammoniak-Sperrkatalysator vorgesehen sein. Dabei müssen die entsprechenden Komponenten zur Abgasnachbehandlung auf eine Betriebstemperatur aufgeheizt werden, um zeitnah nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors, unabhängig vom Motorbetriebspunkt und der Entfernung der Abgasnachbehandlungskomponente vom Verbrennungsmotor eine Temperatur zu erreichen, bei der eine hinreichende Konvertierung von limitierten Abgaskomponenten erreicht wird. Ferner muss der Partikelfilter intermittierend regeneriert werden, wozu eine entsprechend hohe Abgastemperatur notwendig ist, um die im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußpartikel zu oxidieren.
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Ein Abgasbrenner, welcher stromabwärts eines Oxidationskatalysators angeordnet ist, soll dabei einen der SCR-Katalysatoren möglichst schnell nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors auf seine Regenerationstemperatur aufheizen. Im Rahmen der Abgasgesetzgebung EU7 ist zu erwarten, dass auch die Grenzwerte für Kohlenstoffmonoxid (CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) weiter verschärft werden. Dies stellt bei aus dem Stand der Technik bekannten Abgasnachbehandlungskomponenten eine besondere Herausforderung dar, insbesondere wenn diese Grenzwerte auch unter Real-Driving-Emission Bedingungen eingehalten werden müssen.
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Aus der
DE 10 2015 119 738 A1 ist ein Dieselmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem bekannt, bei dem ein Oxidationskatalysator, ein NOx-Speicherkatalysator und ein SCR-Katalysator angeordnet sein. Dabei ist stromaufwärts des Oxidationskatalysators eine Einleitstelle eines Abgasbrenners vorgesehen, mit welcher der Oxidationskatalysator aufgeheizt werden kann. Dabei wird der NOx-Speicherkatalysator regeneriert, indem der Abgasbrenner mit einem unterstöchiometrischen (fetten) Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird und die auf diese Art und Weise in den Abgaskanal gelangenden unverbrannten Kohlenwasserstoffe den NOx-Speicherkatalysator regenerieren.
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Die
DE 10 2018 009 400 A1 offenbart einen Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug, mit einem vom Abgas des Verbrennungsmotors durchströmbaren Abgastrakt, und mit einem in dem Abgastrakt angeordneten Brenner, welcher eine Brennkammer aufweist, in welcher zum Erwärmen des Abgases unter Ausbildung einer offenen Flamme ein Brennstoff mittels des Brenners zu verbrennen ist. Dabei weist der Abgastrakt ein von dem Abgas durchströmbares Abgasrohr, in welchem die von dem das Abgasrohr durchströmenden Abgase durchströmbare Brennkammer angeordnet ist, und eine Klappe auf, mittels welcher in Abhängigkeit von einer Last und einer Drehzahl des Verbrennungsmotors eine das Abgasrohr durchströmende erste Menge und eine die Brennkammer umgehende zweite Menge des Abgases einstellbar sind.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Rohemissionen des Verbrennungsmotors weiter zu reduzieren und die vorhandenen Emissionen bestmöglich zu konvertieren.
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Die Aufgabe wird durch ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, umfassend eine Abgasanlage mit einem Abgaskanal, mindestens eine in der Abgasanlage angeordnete Turbine eines Abgasturboladers, einen in der Abgasanlage unmittelbar stromabwärts der mindestens einen Turbine angeordneten Oxidationskatalysator, eine unmittelbar stromabwärts des Oxidationskatalysators angeordnete Abgasnachbehandlungskomponenten zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, sowie einen Abgasbrenner, gelöst. Der Abgasbrenner ist dazu eingerichtet, ein heißes Brennerabgas an einer Einleitstelle in die Abgasanlage einzubringen, um die Abgasnachbehandlungskomponenten unabhängig von der Betriebssituation des Verbrennungsmotors aufzuheizen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Einleitstelle an der Abgasanlage stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors und stromaufwärts der Turbine des Abgasturboladers ausgebildet ist.
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Durch den Abgasbrenner können der Oxidationskatalysator und die Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden im Wesentlichen unabhängig vom Abgasstrom und der Abgastemperatur des Verbrennungsmotors beheizt werden, sodass insbesondere unmittelbar nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors ein deutlich schnelleres Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponenten auf ihre Betriebstemperatur möglich ist. Somit können bereits zeitnah nach dem Kaltstart die Emissionen des Verbrennungsmotors wirkungsvoll in unlimitierte Abgaskomponenten konvertiert werden. Ferner kann der Abgasbrenner genutzt werden, um einen zusätzlichen Gasstrom über die Turbine des Abgasturboladers zu führen und somit das Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors zu verbessern. Dadurch können die Temperaturen in den Brennräumen des Verbrennungsmotors erhöht werden und die Rohemissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenstoffmonoxid reduziert werden. Ferner kann unmittelbar nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors eine effiziente Konvertierung der Stickoxiden im Abgas des Verbrennungsmotors erfolgen, wodurch die Stickoxid-Emissionen verringert werden können. Insbesondere kann auch bei hybriden Antriebskonzepten, bei denen der Verbrennungsmotor teilweise abgeschaltet oder in einem niedrigen Teillastbereich betrieben wird, ein Auskühlen der Abgasnachbehandlungskomponenten durch den Abgasbrenner verhindert werden.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Ausführungsformen, Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Abgasnachbehandlungssystems möglich.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden als Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ausgeführt ist. Dabei kann der Brenner zusätzlich genutzt werden, um den Partikelfilter auf seine Regenerationstemperatur aufzuheizen. Somit kann eine Regeneration des Partikelfilters unabhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors eingeleitet werden, wobei auf innermotorische Maßnahmen zur Anhebung der Abgastemperatur verzichtet werden kann. Dadurch kann das Brennverfahren optimal gestaltet werden und es können der Kraftstoffverbrauch und/oder die Rohemissionen des Verbrennungsmotors reduziert werden, wodurch eine im Wesentlichen emissionsneutrale Regeneration des Partikelfilters möglich ist. Ferner kann die Regeneration ohne Einfluss auf die Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors durchgeführt werden, sodass eine Regeneration des Partikelfilters ohne Komfort- oder Leistungseinbußen für den Fahrer durchgeführt werden kann.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Oxidationskatalysator eine NOx-Speicherfunktion aufweist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass in der Abgasanlage stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden mindestens eine weitere Abgasnachbehandlungskomponente angeordnet ist. Dabei sind der Oxidationskatalysator und die Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen Reduktion vorzugsweise in einer motornahen Position angeordnet. Unter einer motornahen Position ist in diesem Zusammenhang eine Position in der Abgasanlage zu verstehen, bei der die einlassseitige Stirnfläche der Abgasnachbehandlungskomponente eine Abgaslauflänge +von weniger als 80 cm, vorzugsweise von weniger als 50 cm, ab dem Auslass des Verbrennungsmotors aufweist.
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Bevorzugt ist dabei, wenn die weitere Abgasnachbehandlungskomponente ein zweiter SCR-Katalysator ist. Dabei ist vorzugsweise die erste Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden in einer motornahen Position und die zweite Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion in einer motorfernen Position angeordnet. Unter einer motorfernen Position ist in diesem Zusammenhang eine Position zu verstehen, bei welcher die Abgaslauflänge ab dem Auslass des Verbrennungsmotors mehr als 100 cm, vorzugsweise mehr als 150 cm beträgt. Durch den räumlichen Abstand der beiden Abgasnachbehandlungskomponenten zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden erreichen diese bei einem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors durch die Abwärmeverluste über den Abgaskanal unterschiedliche Betriebstemperaturen. Dadurch kann der Betriebsbereich des Verbrennungsmotors0, bei dem wenigstens einer der beiden Abgasnachbehandlungskomponenten zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden in einem zur Reduktion der Stickoxide notwendigen Temperaturfenster betrieben wird, erweitert werden.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der ersten Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere einem mit einer SCR-Beschichtung versehenen Partikelfilter, ein erstes Dosierelement zur Eindosierung eines Reduktionsmittels, insbesondere einer flüssigen Harnstofflösung, zugeordnet ist. Zusätzlich ist der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere einem zweiten SCR-Katalysator, ein zweites Dosierelement zur Eindosierung eines Reduktionsmittels in den Abgaskanal zugeordnet. Durch zwei unabhängige Dosierelemente kann das Reduktionsmittel stets vor derjenigen Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden eindosiert werden, bei welcher bei dem aktuellen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors die effiziente Konvertierung der Stickoxide zu erwarten ist. Alternativ ist es möglich, an beiden Dosierelementen gleichzeitig Reduktionsmittel einzudosieren, um das katalytisch wirksame Volumen von beiden Abgasnachbehandlungskomponenten zur selektiven, katalytischen Reduktion der Stickoxide zu nutzen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Brenner eine Nennleistung von mindestens 5 Kilowatt, vorzugsweise zwischen 8 und 20 Kilowatt, besonders bevorzugt zwischen 10 und 15 Kilowatt, aufweist. Ein wesentlicher Vorteil eines Abgasbrenners liegt in der gegenüber einem elektrischen Heizelement höheren Leistung. Während die Leistung eines elektrischen Heizelements durch den Batteriestrom insbesondere bei einem 12V-Bordnetz, aber auch bei einem 48V-Bordnetz entsprechend begrenzt ist und die Batterie insbesondere bei kalten Außentemperaturen unter 0°C deutlich in ihrer Leistung eingeschränkt ist, kann ein Brenner im Wesentlichen unabhängig von der Außentemperatur und vom Betrieb des Verbrennungsmotors eine hohe Abwärmeleistung erzeugen, mit welcher das Abgas beziehungsweise die im Abgaskanal stromabwärts einer Einleitstelle für die Abgase des Brenners angeordneten Abgaskomponenten aufgeheizt werden können.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Brenner mit dem gleichen Kraftstoff wie der Verbrennungsmotor betrieben wird und insbesondere aus einem gemeinsamen Tank mit Brennstoff versorgt wird. Dadurch kann auf einen zusätzlichen Tank für den Brenner sowie gegebenenfalls auch auf eine zusätzliche Förderpumpe zur Brennstoffversorgung des Brenners verzichtet werden. Somit kann der Brenner vergleichsweise einfach und kostengünstig an ein bestehendes Kraftstoffversorgungssystem angeschlossen werden.
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In einer vorteilhaften Verbesserung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass in der Abgasanlage mindestens ein Temperatursensor, ein Abgassensor, insbesondere ein NOx-Sensor und/oder ein Drucksensor angeordnet sind. Durch einen Temperatursensor kann die Wärmeeinbringung über den Abgasbrenner geregelt werden, sodass gerade so viel Energie in den Abgasstrom eingebracht wird, wie zum Erreichen der Betriebstemperatur der Abgasnachbehandlungskomponenten notwendig ist. Ferner kann der Abgasbrenner abgeschaltet werden, wenn diese Temperatur überschritten wird. Somit kann der Mehrverbrauch durch den Brenner minimiert werden. Durch einen NOx-Sensor kann die Menge des eindosierten Reduktionsmittels geregelt werden, um einen möglichst effizienten Einsatz von Reduktionsmittel zu gewährleisten.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einleitstelle in einem Abgaskrümmer ausgebildet ist, in welchem die Abgase aus mehreren Brennräumen des Verbrennungsmotors gesammelt und gemeinsam dem Abgaskanal zugeführt werden. Durch eine Einleitstelle des Abgasbrenners in den Abgaskrümmer kann der Abgasbrenner in den Abgaskrümmer integriert werden. Dadurch ist zum einen eine sehr kompakte Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystem möglich, zum anderen lässt sich der Montageaufwand reduzieren, da die Abgasanlage weniger Bauteile aufweist und somit einfacher und kostengünstiger montiert werden kann.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Abgasbrenner mechanisch mit dem Abgaskrümmer oder mit dem Motorblock des Verbrennungsmotors verbunden und an diesem befestigt ist. Dadurch ist eine besonders einfache und stabile Befestigung des Abgasbrenners möglich.
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Zudem kann die Kraftstoffversorgung des Abgasbrenners besonders einfach gestaltet werden, da ein Anschluss an die Kraftstoffversorgung des Verbrennungsmotors über kurze Kraftstoffleitungen möglich ist.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem vorgeschlagen, bei welchem eine Temperatur in der Abgasanlage, insbesondere eine Abgastemperatur stromabwärts des durch den Abgasbrenner beheizten Oxidationskatalysator oder der Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, oder die Temperatur des Oxidationskatalysators oder der Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, ermittelt wird und diese Temperatur mit einer Schwellentemperatur verglichen wird. Dabei wird der Abgasbrenner aktiviert, wenn die ermittelte Temperatur unterhalb der Schwellentemperatur liegt. Durch das vorgeschlagene Verfahren ist ein Aufheizen des Oxidationskatalysators und zumindest einer Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden unmittelbar nach dem Kaltstart des Verbrennungsmotors möglich, wobei durch die im Vergleich zu elektrischen Heizelementen hohe Heizleistung deutlich schneller die Betriebstemperatur der Katalysatoren erreicht wird. Dadurch können die Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Kohlenstoffmonoxid und/oder Stickoxiden, insbesondere in der Kaltstartphase, aber auch nach längeren Leerlauf- oder Schwachlastphasen, in denen die Katalysatoren ansonsten unter ihre Betriebstemperatur auskühlt, verringert werden.
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In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Abgasbrenner wieder deaktiviert wird, wenn die ermittelte Temperatur oberhalb einer zweiten Schwellentemperatur liegt. Dabei können die erste Schwellentemperatur und die zweite Schwellentemperatur gleich sein. Bevorzugt ist jedoch, dass die zweite Schwellentemperatur oberhalb der ersten Schwellentemperatur, vorzugsweise 50°C - 150°C, besonders bevorzugt 100°C - 150°C oberhalb der ersten Schwellentemperatur liegt. Durch ein Abschalten des Abgasbrenners oberhalb der zweiten Schwellentemperatur kann der Mehrverbrauch durch den Abgasbrenner reduziert werden. Dabei bleibt der Brenner vorzugsweise solange aktiviert, bis der Oxidationskatalysator und die Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden eine Temperatur erreicht hat, bei welcher eine maximal-effiziente Konvertierung von Stickoxiden erreicht wird.
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In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist mit Vorteil vorgesehen, dass nach einem definierten Zeitintervall die Leistung des Abgasbrenners reduziert wird, oder der Abgasbrenner deaktiviert wird. Dadurch kann verhindert werden, dass es durch einen unkontrollierten und übermäßigen Wärmeeintrag in die Abgasanlage zu einer thermischen Schädigung von Sensoren und/oder Abgasnachbehandlungskomponenten 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. Es zeigen:
- 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors, welcher mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems verbunden ist;
- 2 ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen Verbrennungsmotor mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem; und
- 3 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors.
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1 zeigt die schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 10 mit einem Abgasnachbehandlungssystem, welches eine Abgasanlage 20 umfasst. Der Verbrennungsmotor 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein direkteinspritzender Dieselmotor und 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 48 mit einem nicht dargestellten Luftversorgungssystem und mit seinem Auslass 16 mit einer Abgasanlage 20 verbunden. Der Verbrennungsmotor 10 kann eine nicht dargestellte Hochdruck-Abgasrückführung mit einem Hochdruck-Abgasrückführungsventil aufweisen, über welches ein Abgas des Verbrennungsmotors 10 von dem Auslass 16 zum Einlass 48 zurückgeführt werden kann. An den Brennräumen 12 sind Einlassventile und Auslassventile angeordnet, mit welchen eine fluidische Verbindung vom Luftversorgungssystem zu den Brennräumen 12 oder von den Brennräumen 12 zur Abgasanlage 20 geöffnet oder verschlossen werden kann.
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Die Abgasanlage 20 umfasst einen Abgaskrümmer 18, in welchem die Abgase aus mehreren Brennräumen 12 des Verbrennungsmotors 10 gesammelt und einem Abgaskanal der Abgasanlage 20 zugeführt werden. In dem Abgaskanal 22 ist eine Turbine 26 eines Abgasturboladers 24 angeordnet, welche einen Verdichter im Luftversorgungssystem über eine Welle antreibt. Der Abgasturbolader 24 ist vorzugsweise als Abgasturbolader 24 mit variabler Turbinengeometrie ausgeführt. Dazu sind einem Turbinenrad der Turbine 26 verstellbare Leitschaufeln vorgeschaltet, über welche die Anströmung des Abgases auf die Schaufeln der Turbine 26 variiert werden kann. Der Abgasturbolader 24 umfasst ein Waste-Gate 64, um den Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 temporär zumindest anteilig an der Turbine 26 vorbeizuführen.
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Stromabwärts der Turbine 26 sind mehrere Abgasnachbehandlungskomponenten 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42 angeordnet. Dabei ist unmittelbar stromabwärts der Turbine 26 als erste Komponente der Abgasnachbehandlung ein Oxidationskatalysator 28 und unmittelbar stromabwärts des Oxidationskatalysators 28 eine erste Abgasnachbehandlungskomponente 30 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet. Diese erste Abgasnachbehandlungskomponente 30 ist vorzugsweise als ein Partikelfilter 34 mit einer Beschichtung 36 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Beschichtung) ausgeführt. Alternativ kann diese erste Abgasnachbehandlungskomponente 30 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden auch als SCR-Katalysator 32 ausgeführt sein. Stromabwärts dieser ersten Abgasnachbehandlungskomponente 30 können weitere Abgasnachbehandlungskomponenten 38, insbesondere ein zweiter SCR-Katalysator 40 und stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators 40 ein Ammoniak-Sperrkatalysator 42 angeordnet sein.
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Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst ferner ein Reduktionsmitteldosiersystem mit einem Reduktionsmitteltank 70 zur Bevorratung eines Reduktionsmittels 76, insbesondere wässriger Harnstofflösung. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 28 und stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente 30 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ist ein erstes Dosierelement 44 vorgesehen, welches über eine erste Reduktionsmittelleitung 72 mit dem Reduktionsmitteltank 70 verbunden ist und mit welchem das Reduktionsmittel 76 in den Abgaskanal 22 des Verbrennungsmotors 10 eindosiert werden kann. Stromabwärts des ersten Dosierelements 44 und stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente 30 zur selektiven, katalytischen Reduktion kann ein Abgasmischer angeordnet sein, um die Vermischung des Reduktionsmittels 76 mit dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 vor Eintritt in die Abgasnachbehandlungskomponente 30 zur selektiven, katalytischen Reduktion zu verbessern.
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Stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente 30 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 36 ist am Abgaskanal 22 eine Verzweigung vorgesehen, an welcher eine Niederdruck-Abgasrückführung aus dem Abgaskanal 22 abzweigt und diesen mit einem Ansaugkanal des Luftversorgungssystems stromaufwärts des Verdichters verbindet. Stromabwärts der Verzweigung und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 36 ist ein zweites Dosierelement 46 zur Eindosierung des Reduktionsmittels 76 vorgesehen, welchem ein weiterer Abgasmischer nachgeschaltet sein kann.
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In der Abgasanlage 20 ist stromabwärts des Auslasses des Verbrennungsmotors 10 und stromaufwärts der Turbine 26 des Abgasturboladers 24 ein Abgasbrenner 50 vorgesehen, mit welchem der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 vor Eintritt in den Oxidationskatalysator 28 erhitzt werden kann. Der Abgasbrenner 50 weist eine Luftversorgung 52 und eine Kraftstoffversorgung 54 auf, um in einer Brennkammer 56 des Abgasbrenners 50 ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch zu verbrennen. Dazu ist die Kraftstoffversorgung 54 des Abgasbrenners über einer Kraftstoffleitung mit einem Kraftstoffbehälter 58 verbunden.
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Ferner können im Abgaskanal 22 ein Temperatursensor 66 und/oder ein Abgassensor 68 angeordnet sein, um die Abgastemperatur des Verbrennungsmotors 10 oder die Schadstoffkonzentration im Abgas zu ermitteln und das Reduktionsmittel bedarfsgerecht durch mindestens eines der Dosierelemente 44, 46 einzudosieren. Ferner kann in der Abgasanlage 20 ein Differenzdrucksensor vorgesehen sein, um eine Druckdifferenz über dem Partikelfilter 34 zu bestimmen. Auf diese Weise kann der Beladungszustand des Partikelfilters 34 ermittelt und bei Überschreiten eines definierten Beladungsniveaus eine Regeneration des Partikelfilters 34 eingeleitet werden.
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Der Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Motorsteuergerät 80 verbunden, welches über nicht dargestellte Signalleitungen mit einem Temperatursensor 66, einem Abgassensor 68 und gegebenenfalls weiteren Sensoren verbunden ist. Zudem ist das Motorsteuergerät 80 mit den Kraftstoffinjektoren 14 des Verbrennungsmotors 10 sowie mit den Dosierelementen 44, 46 und dem Abgasbrenner 50 verbunden. Das Motorsteuergerät 80 weist eine Speichereinheit 82 und eine Recheneinheit 84 auf, wobei in der Speichereinheit 82 ein maschinenlesbarer Programmcode 86 zur Steuerung des Verbrennungsmotors 10 sowie des Abgasnachbehandlungssystems abgelegt ist.
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Die Einspritzmenge sowie der Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffs in die Brennräume 12 des Verbrennungsmotors 10 sowie die Eindosierung eines Reduktionsmittels 76 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden in den Abgaskanal 22 werden durch dieses Motorsteuergerät 80 gesteuert. Ferner wird der Abgasbrenner 50 aktiviert, wenn die Abgastemperatur oder eine Bauteiltemperatur des Oxidationskatalysators 28 unterhalb einer Schwellentemperatur Ts liegt. Durch den Oxidationskatalysator 28 können unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenstoffmonoxid in Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf konvertiert werden. Der Sperrkatalysator 42 verhindert bei einer Überdosierung von wässriger Harnstofflösung durch eines der Dosierelemente 44, 46 einen Austritt von Ammoniak, um die Emissionen zu verringern.
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In 2 ist ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors 10 mit einem Abgasnachbehandlungssystem dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, ist in diesem Ausführungsbeispiel ein schaltbarer Bypass 62 vorgesehen, mit welchem ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 zumindest anteilig an der Turbine 26 des Abgasturboladers 24 vorbeigeführt werden kann, um unmittelbar den Oxidationskatalysator 28 zu erwärmen. Zudem kann die erste Abgasnachbehandlungskomponente 30 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ein SCR-Katalysator 32 sein. In diesem Fall ist stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente 30 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ein Partikelfilter 34 angeordnet, welcher unbeschichtet oder beschichtet ausgeführt sein kann.
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In 3 ist ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt <100> eine Temperatur TEG in der Abgasanlage 20 des Verbrennungsmotors 10 ermittelt. Die kann die Abgastemperatur des Verbrennungsmotors 10 oder die Temperatur einer Abgasnachbehandlungskomponente 26, 30, 32, 34, 36, 38, insbesondere die Temperatur des Oxidationskatalysators 28, ermitteln. In einem zweiten Verfahrensschritt <110> wird die ermittelte Temperatur TEG mit einer Schwellentemperatur Ts verglichen. Liegt die Temperatur TEG unterhalb der Schwellentemperatur TS, so wird in einem Verfahrensschritt <120> der Abgasbrenner 50 aktiviert und der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgasbrenner 50 erhitzt. Das auf diese Art und Weise erhitzte Abgas tritt in den Abgaskanal 22 stromaufwärts der Turbine 26 des Abgasturboladers 24 ein, sodass der Abgasbrenner 50 zusätzlich zum Aufbau des Ladedrucks genutzt werden kann. Dadurch kann die Temperaturn in den Brennräumen des Verbrennungsmotors 10 angehoben werden, wodurch die Rohemissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenstoffmonoxid verringert werden können. Der Abgasbrenner 50 bleibt dabei weiter aktiv, bis auch die Abgasnachbehandlungskomponente 30 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ihre Light-Off-Temperatur erreicht hat. Ist diese Betriebstemperatur der Abgasnachbehandlungskomponente 30 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden erreicht, so wird in einem Verfahrensschritt <130> durch das Dosierelement 44 Reduktionmittel 76 in den Abgaskanal 22 eindosiert, wobei die Stickoxide mit dem Reduktionsmittel 76 zu molekularem Stickstoff reduziert werden. Durch den Betrieb des Verbrennungsmotors 10 werden sämtliche Abgasnachbehandlungskomponente 28, 30, 32, 34, 36, 38 im Abgaskanal 22 aufgeheizt. Hat die in Strömungsrichtung des Abgases des Verbrennungsmotors 10 erste Abgasnachbehandlungskomponente 30 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ihre Betriebstemperatur erreicht, so kann der Abgasbrenner 50 in einem Verfahrensschritt <140> abgeschaltet werden. Alternativ kann der Abgasbrenner 50 auch zeitgesteuert betrieben werden und in seiner Leistung reduziert beziehungsweise abgeschaltet werden, wenn ein definiertes Zeitintervall verstrichen ist.
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Durch ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem können die Emissionen des Verbrennungsmotors 10, insbesondere die Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, die Kohlenstoffmonoxid-Emissionen und die Stickoxidemissionen, die insbesondere nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 oder nach einem Betrieb in einer Leerlauf- oder Schwachlastphase, verringert werden. Dabei kann durch den Wärmeeintrag des Abgasbrenners 50 unabhängig vom Betriebspunkt des Verbrennungsmotors 10 sichergestellt werden, dass die Abgasnachbehandlungskomponenten nicht unter ihre jeweilige Mindestbetriebstemperatur oder Light-Off-Temperatur auskühlen. Somit werden hohe Wirkungsgrade in der Konvertierung von im Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 enthaltenen Schadstoffe unabhängig vom Betriebspunkt des Verbrennungsmotors 10 und der Position der Abgasnachbehandlungskomponente 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42 in der Abgasanlage 20 erreicht. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die SCR-Katalysatoren 30, 32, 34, 36. 40 an nahezu beliebigen Positionen in der Abgasanlage anzuordnen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Brennraum
- 14
- Kraftstoffinjektor
- 16
- Auslass
- 18
- Abgaskrümmer
- 20
- Abgasanlage
- 22
- Abgaskanal
- 24
- Abgasturbolader
- 26
- Turbine
- 28
- Oxidationskatalysator
- 30
- Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion
- 32
- SCR-Katalysator
- 34
- Partikelfilter
- 36
- SCR-Beschichtung
- 38
- weitere Abgasnachbehandlungskomponente
- 40
- zweiter SCR-Katalysator
- 42
- Ammoniak-Sperrkatalysator
- 44
- erstes Dosierelement
- 46
- zweites Dosierelement
- 48
- Einlass
- 50
- Abgasbrenner
- 52
- Luftversorgung
- 54
- Kraftstoffversorgung
- 56
- Kraftstoffleitung
- 58
- Kraftstoffbehälter
- 60
- Einleitstelle
- 62
- Bypass
- 64
- Waste-Gate
- 66
- Temperatursensor
- 68
- Abgassensor
- 70
- Reduktionsmitteltank
- 72
- erste Reduktionsmittelleitung
- 74
- zweite Reduktionsmittelleitung
- 76
- Reduktionsmittel
- 80
- Motorsteuergerät
- 82
- Speichereinheit
- 84
- Recheneinheit
- 86
- Programmcode
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015119738 A1 [0005]
- DE 102018009400 A1 [0006]
