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Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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Im Hinblick auf eine weitere Verschärfung der Abgasnormen, beispielsweise mit Einführung der EU7-Norm, ist es erforderlich, insbesondere die Kaltstartemissionen, welche einen Großteil der gesamten Emissionen ausmachen, signifikant zu verringern. Im Kaltstartbetrieb, also unmittelbar nach Start des Verbrennungsmotors sind die Abgasnachbehandlungskomponenten in der Regel noch nicht hinreichend aufgewärmt, um eine Konvertierung der bei der Verbrennung des Kraftstoffs entstehenden Rohemissionen zu ermöglichen. Dies führt insbesondere zu in der Kaltstartphase erhöhten Stickoxidemissionen, die selbst durch eine vollständige Konvertierung nach der Kaltstartphase dazu führen, dass die Grenzwerte nicht mehr eingehalten werden.
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Zur Erfüllung der EU6-Abgasnorm bei Ottomotoren haben sich Abgasnachbehandlungssysteme verbreitet, welche einen oder mehrere Drei-Wege-Katalysatoren sowie einen Partikelfilter umfassen. Ferner ist bekannt, den Drei-Wege-Katalysator durch ein externes Heizmittel, beispielsweise ein elektrisches Heizelement oder einen Abgasbrenner zu beheizen, damit der Katalysator schneller seine Light-Off-Temperatur erreicht und schneller nach einem Kaltstart zur wirksamen Konvertierung von limitierten Emissionen zur Verfügung steht.
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Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Abgasnachbehandlungssystemen ist jedoch, dass auch mit motorexternen Heizmitteln ein kurzer Zeitraum existiert, bei dem die Abgasnachbehandlungskomponenten noch nicht ihre Light-Off-Temperatur erreicht haben und die Rohemissionen unkonvertiert an die Umwelt emittiert werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Kaltstartemissionen weiter zu verringern und die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden.
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Aus der US 2019 / 0376424 A1 sind ein Verbrennungsmotor und ein Abgasnachbehandlungssystem für diesen Verbrennungsmotor bekannt. Das Abgasnachbehandlungssystem weist in Strömungsrichtung eines Abgasstroms durch die Abgasanlage des Verbrennungsmotors einen Stickoxidspeicherkatalysator und zwei in Reihe geschaltete SCR-Katalysatoren auf, wobei einer der SCR-Katalysatoren ein elektrisches Heizelement zur Beheizung des SCR-Katalysators aufweisen kann.
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Aus der US 2015 / 0158023 A1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor mit einem Kaltstartkatalysator bekannt, welcher in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Sickoxide einspeichern kann.
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US 2013 / 0312392 A1 offenbart ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor mit einem NOx-Speicherkatalysator, einem HC-Speicherkatalysator und einem SCR-Katalysator.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem fremdgezündeten Verbrennungsmotor die Kaltstartemissionen weiter zu verringern und somit noch schärfere Abgasemissionsgrenzwerte zu erfüllen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor gelöst, welches einen ersten Drei-Wege-Katalysator und einen stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators angeordneten zweiten Drei-Wege-Katalysator umfasst, wobei stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators und stromaufwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators eine Heizvorrichtung angeordnet ist, mit welcher ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors im Wesentlichen unabhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors beheizbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der erste Drei-Wege-Katalysator eine NOx-Speicherkomponente aufweist.
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Die NOx-Speicherkomponente des ersten Drei-Wege-Katalysators ermöglicht es, in einer Kaltstartphase, in welcher die Drei-Wege-Katalysatoren noch keine hinreichende Temperatur zur effiziente Konvertierung der Schadstoffe im Abgasstrom des Verbrennungsmotors erreicht haben, die Stickoxide einzuspeichern und erst dann wieder freizusetzen, wenn der durch die Heizvorrichtung beheizte zweite Drei-Wege-Katalysator seine Light-Off-Temperatur erreicht hat. Somit können die Emissionen in der Kaltstartphase, insbesondere die Stickoxidemissionen, gegenüber den bei fremdgezündeten Ottomotoren bekannten Lösungen deutlich verringert werden.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten zusätzlichen Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des Abgasnachbehandlungssystems möglich.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die NOx-Speicherkomponente ein System aus Palladium und einem Cer-Oxid aufweist. Ein System aus Palladium und einem Cer-Oxid ermöglicht es, bereits bei geringen Temperaturen ab ca. 60°C die Stickoxide einzuspeichern und diese erst bei Temperaturen des ersten Katalysators oberhalb von 250°C wieder freizusetzen. Somit können die Stickoxide in der Aufheizphase des Abgasnachbehandlungssystem eingespeichert und im darauffolgenden Normalbetrieb in unlimitierte Abgaskomponenten konvertiert werden.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die NOx-Speicherkomponente des ersten Drei-Wege-Katalysators als eine Palladium-Ceroxid-Beschichtung oder eine mit Palladium dotierte Zeolith-Beschichtung ausgeführt ist. Eine solche Beschichtung ermöglicht gegenüber bekannten Aluminiumoxidbeschichtungen (AI2O3-Beschichtungen) eine verbesserte Einspeicherfähigkeit und höhere Temperaturstabilität bei der Einlagerung von Stickoxiden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass das Abgasnachbehandlungssystem zusätzlich einen Partikelfilter, vorzugsweise einen unbeschichteten Partikelfilter, umfasst. Ein Partikelfilter ermöglicht es, zusätzlich zu den gasförmigen Emissionen auch die Partikel aus dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors herauszufiltern. Da im Zuge einer weiteren Verschärfung der Abgasnormen damit zu rechnen ist, dass sich auch die Grenzwerte für emittierte Partikel verschärfen, kann ein solcher Partikelfilter notwendig sein, um die verschärften Emissionsnormen zu erfüllen. Die Heizvorrichtung ermöglicht neben dem beschleunigten Aufheizen des zweiten Drei-Wege-Katalysators auch eine Unterstützung beim Aufheizen des Partikelfilters, sodass diese leichter in einer Schwachlastphase des Verbrennungsmotors regeneriert werden kann und auch bei Schwachlast betriebssicher seine Regenerationstemperatur erreicht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass die Heizvorrichtung als ein elektrisches Heizelement ausgebildet ist. Durch ein elektrisches Heizelement ist eine besonders einfach und kompakte Ausführung des Abgasnachbehandlungssystems möglich. Zudem kann die Heizleistung bei einem elektrischen Heizelement besonders einfach und genau geregelt werden, um einerseits ein effizientes Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponenten zu gewährleisten und andererseits keine Energie zu verschwenden.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das elektrische Heizelement eine elektrische Heizscheibe ist, welche mit der auslassseitigen Stirnfläche des ersten Drei-Wege-Katalysators oder der einlassseitigen Stirnfläche des zweiten Drei-Wege-Katalysators verbunden ist. Dadurch ist eine besonders einfache und sichere Befestigung der elektrischen Heizscheibe möglich.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Heizvorrichtung einen Abgasbrenner umfasst, wobei der Abgasbrenner eine Brennkammer aufweist, an welcher eine Zündvorrichtung angeordnet ist, wobei die Brennkammer einen Luftanschluss und einen Kraftstoffanschluss aufweist, um der Brennkammer ein Kraftstoff-Luft-Gemisch zuzuführen, und wobei die Zündvorrichtung dazu eingerichtet ist, dieses Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Brennkammer zu entzünden. Durch einen Abgasbrenner kann ein besonders hoher Energieeintrag in die Abgasanlage erfolgen, da die maximale Leistung des Abgasbrenners nicht durch die Spannung des Bordnetzes und die Stromstärke begrenzt ist. Nachteilig an einem Abgasbrenner sind jedoch die vergleichsweise hohen Kosten.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass der erste Drei-Wege-Katalysator, die Heizvorrichtung und der zweite Drei-Wege-Katalysator in einer Katalysatoreinheit angeordnet sind. Eine solche Baugruppe lässt sich entsprechend vormontieren, sodass bei der Montage der Abgasanlage die komplette Katalysatoreinheit eingesetzt werden kann und der Montageaufwand reduziert wird.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der erste Drei-Wege-Katalysator, die Heizvorrichtung und der zweite Drei-Wege-Katalysator in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Dadurch ist eine besonders einfachen Montage der Katalysatoreinheit möglich.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass der Partikelfilter stromabwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators angeordnet ist. Dabei kann die durch die Heizvorrichtung in die Abgasanlage eingetragene Wärme zusätzlich genutzt werden, um den Partikelfilter im Leerlauf oder Schwachlastbetrieb auf seine Regenerationstemperatur aufzuheizen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Drei-Wege-Katalysator in einer Abgasanlage des Verbrennungsmotors in Strömungsrichtung eines Abgasstroms durch die Abgasanlage als erste emissionsmindernde Abgasnachbehandlungskomponente in einer motornahen Position angeordnet ist. Unter einer motornahen Position ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass ein stirnseitiger Einlass des ersten Drei-Wege-Katalysators eine Abgaslauflänge von weniger als 80cm, vorzugsweise von weniger als 60cm, besonders bevorzugt von weniger als 40cm ab einem Auslass des Verbrennungsmotors aufweist. Durch die motornahe Position ist ein besonders effizientes Aufheizen des ersten Drei-Wege-Katalysators durch den Abgasstrom des Verbrennungsmotors möglich, da durch die kurze Abgaslauflänge die Wärmeverluste minimiert werden.
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Alternativ können der erste Drei-Wege-Katalysator und der zweite Drei-Wege-Katalysator auch in einer Unterbodenposition eines Kraftfahrzeuges angeordnet sein. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn ein dritter Drei-Wege-Katalysator in motornaher Position und unmittelbar stromabwärts des dritten Drei-Wege-Katalysators ein Partikelfilter angeordnet ist. Dabei werden der zweite Drei-Wege-Katalysator durch die Heizvorrichtung und der dritte Drei-Wege-Katalysator durch den Abgasstrom in Verbindung mit der kurzen Abgaslauflänge vergleichsweise schnell aufgeheizt, während der erste Drei-Wege-Katalysator sich vergleichsweise langsam aufheizt und somit die Stickoxide vergleichsweise lange einspeichern kann. Somit kann sichergestellt werden, dass die Stickoxide erst dann freigesetzt werden, wenn eine effiziente Konvertierung der gasförmigen Abgaskomponenten durch den zweiten und dritten Drei-Wege-Katalysator möglich ist.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem, welches folgende Schritte umfasst:
- - Starten des Verbrennungsmotors, wobei die in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors entstehenden Stickoxide in der NOx-Speicherkomponente des ersten Drei-Wege-Katalysators eingelagert werden,
- - Aufheizen des zweiten Drei-Wege-Katalysators durch die Heizvorrichtung,
- - Freisetzen der eingespeicherten Stickoxide, wenn der zweite Drei-Wege-Katalysator seine Light-Off-Temperatur erreicht hat,
- - Konvertieren der freigesetzten Stickoxide durch den zweiten Drei-Wege-Katalysator.
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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 einen Verbrennungsmotor, welcher auslassseitig mit einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems verbunden ist;
- 2 eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems;
- 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor.
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1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 mit vier Brennräumen 12, welcher als fremdgezündeter Verbrennungsmotor 10 nach dem Ottoprinzip ausgeführt ist. Dabei sind an den Brennräumen 12 jeweils ein Kraftstoffinjektor 14 und eine Zündkerze 16 zur Entzündung eines brennfähigen Kraftstoff-Luft-Gemischs angeordnet.
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Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 20 verbunden, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors 10 durch die Abgasanlage eine Turbine 56 eines Abgasturboladers 54 und stromabwärts der Turbine 56 als erste emissionsreduzierende Abgasnachbehandlungskomponente ein erster Drei-Wege-Katalysator 22 angeordnet ist. Der erste Drei-Wege-Katalysator 22 weist eine NOx-Speicherkomponente 48 auf, um in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors 10 Stickoxide einspeichern zu können und diese später bei höheren Abgastemperaturen wieder freizusetzen. Dabei können die Stickoxide ab einer Abgastemperatur von etwa 60°C eingespeichert werden und werden bei Abgastemperaturen von etwa 250°C wieder freigesetzt. Die NOx-Speicherkomponente ist als Beschichtung des ersten Drei-Wege-Katalysators 22 ausgebildet und umfasst Palladium und Cer-Oxid.
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Unmittelbar stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 22 ist eine Heizvorrichtung 32 angeordnet, welche in diesem Ausführungsbeispiel als elektrisches Heizelement 34 in Form einer elektrischen Heizscheibe 36 ausgebildet ist. Unmittelbar stromabwärts der Heizvorrichtung 32 ist in der Abgasanlage ein zweiter Drei-Wege-Katalysator 24 angeordnet.
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Der erste Drei-Wege-Katalysator 22, das elektrische Heizelement 34 und der zweite Drei-Wege-Katalysator 24 können als Katalysatoreinheit 30 mit einem gemeinsamen Gehäuse 68 ausgeführt sein, um eine besonders kompakte Ausführung der Katalysatoreinheit 30 zu ermöglichen und die Montage der Abgasanlage 20 zu erleichtern.
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Weiter stromabwärts kann in der Abgasanlage ein Partikelfilter 26 angeordnet sein, um zusätzlich zu den gasförmigen Emissionen auch Partikel aus dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors herauszufiltern. Der erste Drei-Wege-Katalysator 22, das elektrische Heizelement 34 und der zweite Drei-Wege-Katalysator 24 sind dabei in einer motornahen Position in der Abgasanlage 20 angeordnet, um ein möglichst effizientes Aufheizen der Katalysatoren 22, 24 durch den Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 zu ermöglichen und die Abwärmeverluste zu minimieren.
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Der Verbrennungsmotor 10 steht mit einem Steuergerät 60 in Wirkverbindung, welches eine Speichereinheit 62 und eine Recheneinheit 64 aufweist. Dabei ist in der Speichereinheit 62 ein maschinenlesbarer Programmcode 66 abgelegt, welcher die Einspritzmenge des Kraftstoffs durch die Kraftstoffinjektoren 14, den Zündzeitpunkt der Zündkerzen 16 sowie die Ansteuerung des elektrischen Heizelement 34 steuert, wenn der maschinenlesbare Programmcode durch die Recheneinheit 64 das Steuergeräts 60 ausgeführt wird.
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In einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors 10 können die Stickoxidemissionen aufgrund der niedrigen Abgastemperaturen und der niedrigen Bauteiltemperaturen der Drei-Wege-Katalysatoren 22, 24 noch nicht effizient konvertiert werden. Daher werden die Stickoxidemissionen in diesem Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 zunächst in der NOx-Speicherkomponente 48 des ersten Drei-Wege-Katalysators 22 eingespeichert. Um das Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponente zu beschleunigen, werden diese in der Kaltstartphase nicht nur durch den Abgasstrom beheizt, sondern zusätzlich durch das elektrische Heizelement 34. Durch die Konvektion erreicht der zweite Drei-Wege-Katalysator 24 vor dem ersten Drei-Wege-Katalysator 22 seine Light-Off-Temperatur. Da sich das Aufheizen des ersten Drei-Wege-Katalysators 22, welcher im Wesentlichen durch den Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 gegenüber dem zweiten Drei-Wege-Katalysator 24, welcher durch den Abgasstrom und das elektrische Heizelement aufgeheizt wird, verzögert, können die Stickoxide in der NOx-Speicherkomponente 48 des ersten Drei-Wege-Katalysators 22 so lange eingespeichert werden, bis der zweite Drei-Wege-Katalysator 24 seine Light-Off-Temperatur erreicht und somit eine effiziente Konvertierung der Stickoxide ermöglicht. Gleichzeitig ermöglicht das beschleunigte Aufheizen des zweiten Drei-Wege-Katalysators 24 auch eine schnellere Konvertierung von anderen limitierten Abgaskomponenten wie Kohlenstoffmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Heizvorrichtung 32 als Abgasbrenner 38 ausgeführt. Der Abgasbrenner 38 weist einen Luftanschluss 44 zur Luftversorgung und einen Kraftstoffanschluss 42 zur Kraftstoffversorgung einer Brennkammer 40 des Abgasbrenners 38 auf. An der Brennkammer 40 ist ein Zündelement 58 angeordnet, um ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Brennkammer 40 zu entzünden und das verbrannte Kraftstoff-Luft-Gemisch an einer Einleitstelle 46 in den Abgaskanal 52 der Abgasanlage 20 einzuleiten, um die der Einleitstelle in Strömungsrichtung eines Abgasstroms durch die Abgasanlage 20 nachfolgenden Abgasnachbehandlungskomponenten 24, 26, insbesondere einen zweiten Drei-Wege-Katalysator und einen dem zweiten Drei-Wege-Katalysator nachgeschalteten Partikelfilter 26 zu beheizen.
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Das Abgasnachbehandlungssystem weist als erste emissionsmindernde Abgasnachbehandlungskomponente einen motornahen ersten Drei-Wege-Katalysator 22 auf, welcher eine NOx-Speicherkomponente 48 aufweist. Der motornahe erste Drei-Wege-Katalysator 22 ist stromaufwärts der Einleitstelle 46 das Abgasbrenners 38 angeordnet, um die in einer Kaltstartphase entstehenden Stickoxide solange einspeichern zu können, bis der zweite Drei-Wege-Katalysator 24 durch den Abgasbrenner 38 auf seine Light-Off-Temperatur aufgeheizt ist und die Stickoxide effizient mit einem Reduktionsmittel, insbesondere mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen, in molekularen Stickstoff und Kohlendioxid konvertieren kann. Stromabwärts des ersten Katalysators 22 und stromaufwärts der Einleitstelle 46 kann ein Entkopplungselement 50 angeordnet sein.
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In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor 10 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist als motornahe erste Abgasnachbehandlungskomponente ein dritter Drei-Wege-Katalysator 28 angeordnet, welchem in Strömungsrichtung eines Abgasstroms durch die Abgasanlage 20 ein Partikelfilter 26 und weiter stromabwärts ein erster Drei-Wege-Katalysator 22, ein elektrisches Heizelement 34 und ein zweiter Drei-Wege-Katalysator 24 folgen.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind der dritte Drei-Wege-Katalysator 28 und der Partikelfilter 26 in einer motornahen Position angeordnet, während die Katalysatoreinheit 30 mit dem ersten Drei-Wege-Katalysator 22 mit der NOx-Speicherkomponente 48, dem elektrischen Heizelement 34 und dem zweiten Drei-Wege-Katalysator 24 in einer Unterbodenposition eines Kraftfahrzeuges angeordnet sind. In dem Abgaskanal 52 der Abgasanlage 20 ist stromabwärts des Partikelfilters 26 und stromaufwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 22 ein Entkopplungselement 50 angeordnet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Brennraum
- 14
- Kraftstoffinjektor
- 16
- Zündkerze
- 18
- Auslass
- 20
- Abgasanlage
- 22
- erster Drei-Wege-Katalysator
- 24
- zweiter Drei-Wege-Katalysator
- 26
- Partikelfilter
- 28
- dritter Drei-Wege-Katalysator
- 30
- Katalysatoreinheit
- 32
- Heizvorrichtung
- 34
- elektrisches Heizelement
- 36
- Heizscheibe
- 38
- Abgasbrenner
- 40
- Brennkammer
- 42
- Kraftstoffanschluss
- 44
- Luftanschluss
- 46
- Einleitstelle
- 48
- NOx-Speicherkomponente
- 50
- Entkopplungselement
- 52
- Abgaskanal
- 54
- Abgasturbolader
- 56
- Turbine
- 58
- Zündelement
- 60
- Steuergerät
- 62
- Speichereinheit
- 64
- Recheneinheit
- 66
- Programmcode
- 68
- Gehäuse
