DE102023108672A1

DE102023108672A1 - Abgasnachbehandlungssystem und Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Dieselmotors

Info

Publication number: DE102023108672A1
Application number: DE102023108672.3A
Authority: DE
Inventors: Olaf Bechmann; Stefan Resch; Bodo Odendall; Matthias Kiefer; Marc Timo Gieseler; Carsten Schneider; Jürgen Ulpts
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2023-04-04
Filing date: 2023-04-04
Publication date: 2024-02-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Dieselmotor (10), umfassend eine Abgasanlage (20) mit einem Abgaskanal (64), wobei in der Abgasanlage ein Oxidationskatalysator (34) stromabwärts des Oxidationskatalysators (34) eine Abgasnachbehandlungskomponente (26) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden und weiter stromabwärts eine weitere Abgasnachbehandlungskomponente (30) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet sind. Stromabwärts des Oxidationskatalysators (34) und stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente (26) sowie stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente und stromaufwärts der weiteren Abgasnachbehandlungskomponente (30) sind jeweils ein Dosierelement (60, 62) zur Eindosierung eines Reduktionsmittels in die Abgasanlage (20) angeordnet. Ferner ist in der Abgasanlage (20) stromabwärts des Oxidationskatalysators (34) ein Partikelfilter (40) angeordnet. Die Abgasanlage (20) umfasst ferner einen stromaufwärts des Oxidationskatalysators (34) angeordneten ersten Temperatursensor (50) und einen in der Abgasanlage (20) stromabwärts des Partikelfilters (40) angeordneten zweiten Temperatursensor (52), sowie einen stromabwärts sämtlicher Abgasnachbehandlungskomponenten (34, 26, 30) angeordneten NOx-Sensor (58).Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Dieselmotors (10) mit einem solchen System.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Dieselmotor sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Dieselmotors mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem.
Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellt 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.
Dieselmotoren sind aufgrund aktueller und zukünftiger Emissionsgrenzwerte neben einer effektiven Abgasnachbehandlung auch auf ein möglichst niedriges Roh-Emissionsniveau angewiesen. Die Abgasrückführung stellt dabei das wirksamste Mittel zur innermotorischen NOx-Reduzierung dar. Dabei lässt sich bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren zwischen einer Hochdruck-Abgasrückführung und einer Niederdruck-Abgasrückführung unterscheiden. Die Hochdruck-Abgasrückführung verbindet den Auslassbereich des Verbrennungsmotors mit dem Einlassbereich des Verbrennungsmotors. Die Niederdruck-Abgasrückführung verbindet einen Bereich in der Abgasanlage stromabwärts einer Turbine des Abgasturboladers mit einem Bereich des Ansaugtraktes stromaufwärts eines Verdichters des Abgasturboladers. Eine Freigabe der Niederdruck-Abgasrückführung kann bei aufgeladenen Dieselmotoren erst dann erfolgen, wenn das Risiko der Kondensatbildung stromaufwärts des Verdichters des Abgasturboladers nicht mehr gegeben ist, da die Kondensattröpfchen den Verdichter beschädigen können. Üblicherweise erfolgt die Freigabe der Niederdruck-Abgasrückführung in Abhängigkeit von einer Kühlmitteltemperatur des Verbrennungsmotors, wobei ein Schwellenwert der Kühlmitteltemperatur in Abhängigkeit von der Temperatur der Ansaugluft gewählt wird und mit sinkender Ansauglufttemperatur zunimmt. Somit kann nach einem Start des Verbrennungsmotors ein Zeitraum vergehen, bevor die Niederdruck-Abgasrückführung freigegeben werden kann.
Ferner ist zur Sicherstellung der Einhaltung der Emissionsnorm eine enge Überwachung und eine entsprechende Steuerung oder Regelung des Verbrennungsmotors sowie des Abgasnachbehandlungssystem notwendig.
Aus der DE 10 2019 203 798 A1 ist ein Verfahren zur Emissions-basierten Steuerung eines Verbrennungsmotors bekannt. Dabei wird ein Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von den aktuellen Emissionen der Brennkraftmaschine bereitgestellt, bei welchem die Funktion von im Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeordneten Abgasnachbehandlungseinrichtungen überprüft und die Leistung der Brennkraftmaschine so geregelt wird, dass die Emissionen aus dem Abgastrakt unterhalb eines Schwellenwertes bleiben. Weiterhin wird ein Verbrennungsmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem zum Ausführen des Verfahrens und ein entsprechendes Kraftfahrzeug vorgeschlagen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Abgasnachbehandlungssystem bereitzustellen, welches die Anforderungen an zukünftige Emissionsnormen erfüllt und die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise überwindet.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Dieselmotor eine Abgasanlage mit einem Abgaskanal, sowie eine in der Abgasanlage angeordnete erste Abgasnachbehandlungskomponente, welche einen Oxidationskatalysator beinhaltet, umfasst. Der Abgasanlage ist stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente eine zweite Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, sowie stromabwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente eine vierte Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet. Stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente und stromaufwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente ist ein erstes Dosierelement zur Eindosierung eines Reduktionsmittels in die Abgasanlage angeordnet. Stromabwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente und stromaufwärts der vierten Abgasnachbehandlungskomponente ist ein zweites Dosierelement zur Eindosierung eines Reduktionsmittels in die Abgasanlage angeordnet. In der Abgasanlage ist stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente ein Partikelfilter angeordnet. Ferner sind stromaufwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente ein erster Temperatursensor und stromabwärts des Partikelfilters ein zweiter Temperatursensor verbaut. Ein NOx-Sensor ist stromabwärts sämtlicher Abgasnachbehandlungskomponenten in der Abgasanlage angeordnet. Ein solches Abgasnachbehandlungssystem für einen Dieselmotor ermöglicht eine signifikante Reduzierung der Abgasemissionen, insbesondere der Stickoxid-Emissionen, sowie eine zuverlässige Überwachung, Steuerung und Diagnostik der einzelnen Abgasnachbehandlungskomponenten und Dosierelemente. Der Dieselmotor kann auch Teil eines Hybridantriebs mit einem Dieselmotor und einem elektrischen Antriebsmotor sein.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Abgasnachbehandlungskomponente ein elektrisches Heizelement zum Aufheizen der ersten Abgasnachbehandlungskomponente umfasst.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Abgasnachbehandlungskomponente als ein Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ausgeführt ist. Dadurch ist eine besonders effiziente Konvertierung der im Abgasstrom enthaltenen Stickoxidemissionen möglich. Der Partikelfilter senkt somit den Stickoxidgehalt im Abgasstrom und trägt zur Emissionsverringerung bei. Alternativ oder zusätzlich zu einer Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden kann der Partikelfilter auch mit einer filtrationsverbessernden Beschichtung versehen sein.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass stromabwärts der vierten Abgasnachbehandlungskomponente eine fünfte Abgasnachbehandlungskomponente angeordnet ist, wobei die fünfte Abgasnachbehandlungskomponente einen Oxidationskatalysator oder einen Ammoniak-Sperrkatalysator umfasst. Dadurch können Ammoniakdurchbrüche und damit einhergehende unangenehme Gerüche, sowie Reizung der Atemwege und der Augen durch gasförmiges Ammoniak vermieden werden.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Abgasanlage stromaufwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente eine Turbine eines Abgasturboladers angeordnet ist. Ein mittels eines Abgasturboladers aufgeladener Dieselmotor weist im Vergleich zu anderen Verbrennungsmotoren einen besonders hohen thermischen Wirkungsgrad und somit einen geringen Kraftstoffverbrauch auf. Ferner ist es bei einem mittels Abgasturbolader aufgeladenen Dieselmotor besonders schwierig, die Temperaturen in der Abgasanlage zu modellieren. Daher ist es bei einem Dieselmotor mit Abgasturbolader hinsichtlich der Überwachung der Abgasemissionen besonders effizient, die Abgastemperatur durch Temperatursensoren stromabwärts des Abgasturboladers und stromaufwärts des Oxidationskatalysators sowie stromabwärts des Oxidationskatalysators zu messen und aus diesen Stützstellen die Temperaturen der Katalysatoren zu berechnen. Somit kann eine maximale Wirksamkeit des Abgasnachbehandlungssystems erreicht werden.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Abgasanlage stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente und stromaufwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente ein erster NOx-Sensor und stromabwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente und stromaufwärts der vierten Abgasnachbehandlungskomponente ein zweiter NOx-Sensor angeordnet ist. Dabei messen die NOx-Sensoren die Stickoxidkonzentration im Abgasgemisch, um die einzuspritzende Reduktionsmittelmenge zur Senkung der Stickoxidkonzentration zu bestimmen. So kann die Reduktionsmittelmenge genau angepasst und gegebenenfalls korrigiert werden, zudem können die Sensoren für Diagnosevorgänge genutzt werden.
Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Dieselmotors mit einem in den vorherigen Abschnitten beschriebenen Abgasnachbehandlungssystem, welches zumindest zwei Temperaturen an Temperatursensoren in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors ermittelt, sowie ein Abgas-Temperaturmodell unter Verwendung der ermittelten Temperaturen in der Abgasanlage erstellt und Rohemissionen des Verbrennungsmotors anhand eines Rohemissionsmodells errechnet.
Eine Wirksamkeit der ersten Abgasnachbehandlungskomponente des Abgasnachbehandlungssystems wird unter Verwendung von Daten aus dem Rohemissionsmodell und dem Abgas-Temperaturmodell modelliert. Ferner wird eine Wirksamkeit der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente des Abgasnachbehandlungssystems unter Verwendung einer durch das erste Dosierelement eindosierten Reduktionsmittelmenge und der Abgastemperatur beziehungsweise der Temperatur der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente modelliert. Eine Wirksamkeit der vierten Abgasnachbehandlungskomponente des Abgasnachbehandlungssystems wird unter Verwendung einer durch das zweite Dosierelement eindosierten Reduktionsmittelmenge modelliert. Somit kann zum einen eine genaue Steuerung der Dosierelemente sowie eine zuverlässige Kontrolle der Wirksamkeit der Abgasnachbehandlungskomponenten erreicht werden. So kann zum Beispiel ein Verlust der Wirksamkeit der Abgasnachbehandlungssysteme durch Alterung angezeigt werden und durch einen Vergleich zwischen errechnetem Modell und gemessenen Werten eine Fehlerdiagnose durchgeführt werden.
In einer bevorzugter Ausführung des Verfahrens ist vorgesehen, dass zusätzlich eine Veränderung der Abgaskomponenten beim Durchströmen des Partikelfilter modelliert wird. Dadurch kann das Modell weiter verbessert werden. Da es insbesondere durch einen Rußabbrand auf dem Partikelfilter zu einem Wärmeeintrag in die Abgasanlage kommt, kann ein Modell zum Rußumsatz auf dem Partikelfilter und dem damit verbundenen Wärmeeintrag die Genauigkeit des Modells verbessern. Ferner kann durch eine Modellierung der Vorgänge auf dem Partikelfilter ein Ausfall oder ein Leistungsverlust der Konvertierungsleistung des Partikelfilters diagnostiziert werden und durch das On-Board-Monitoring ausgewertet werden.
In weiterer bevorzugter Ausführung des Verfahrens ist vorgesehen, dass stromabwärts der vierten Abgasnachbehandlungskomponente eine fünfte Abgasnachbehandlungskomponente angeordnet ist, wobei die fünfte Abgasnachbehandlungskomponente einen Oxidationskatalysator oder einen Ammoniak-Sperrkatalysator umfasst und die Wirksamkeit der fünften Abgasnachbehandlungskomponente modelliert wird. Durch die Modellierung der Wirksamkeit kann ein Leistungsverlust oder Ausfall der fünften Abgasnachbehandlungskomponente schnell diagnostiziert werden und gegebenenfalls die Menge an eindosiertem Reduktionsmittel angepasst werden, um Ammoniakemissionen zu vermeiden oder zu verringern.
Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft eine Speichereinheit und eine Recheneinheit sowie einen in der Speichereinheit abgelegten Computerprogrammcode, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, ein in den vorhergehenden Abschnitten beschriebenes Verfahren auszuführen, wenn der Computerprogrammcode durch die Recheneinheit ausgeführt wird.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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. Es zeigen:

1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein Abgasnachbehandlungssystem eines Dieselmotors;
2 ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein Abgasnachbehandlungssystem eines Dieselmotors; und
3 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Dieselmotors mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems für einen Dieselmotor 10. Der Dieselmotor 10 ist vorzugsweise als direkteinspritzender Dieselmotor ausgeführt. Der Dieselmotor 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 Brennraum 12 wird durch einen Kolben begrenzt, welcher verschiebbar in einem Zylinder des Dieselmotors 10 angeordnet ist. Der Kolben ist über ein Pleuel mit einer Kurbelwelle des Dieselmotors 10 verbunden, wobei das Pleuel eine oszillierende Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle überträgt. Der Dieselmotor 10 ist mit seinem Einlass mit einem in 1 nicht dargestellten Luftversorgungssystem und mit seinem Auslass 16 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 64, in welchem sich in Strömungsrichtung eines Abgasstromes 66 des Dieselmotors 10 durch die Abgasanlage 20 eine Turbine 22 eines Abgasturboladers 18, stromabwärts der Turbine 22 des Abgasturboladers 18 ein erste Abgasnachbehandlungskomponente 24, insbesondere ein Oxidationskatalysator 34, stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente eine zweite Abgasnachbehandlungskomponente 26, insbesondere ein Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden 38, stromabwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente 26 eine dritte Abgasnachbehandlungskomponente 28, insbesondere ein Partikelfilter 40, vorzugsweise ein Partikelfilter 42 mit einer katalytischen Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, und stromabwärts dritten Abgasnachbehandlungskomponente eine vierte Abgasnachbehandlungskomponente 30, insbesondere ein weiterer Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden 44 befindet. Stromabwärts der vierten Abgasnachbehandlungskomponente 30 kann eine fünfte Abgasnachbehandlungskomponente 32, insbesondere ein Oxidationskatalysator 46 oder ein Ammoniak-Sperrkatalysator 48 angeordnet sein.
Stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente 24 ist ein erstes Dosierelement 60 zur Eindosierung eines Reduktionsmittels, insbesondere wässriger Harnstofflösung, in die Abgasanlage 20 angeordnet. Dabei erfolgt die Eindosierung des Reduktionsmittels stromaufwärts zumindest einer Abgasnachbehandlungskomponente 26, 28, 30 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden. Stromabwärts der dritten Abgasnachbehandlungskomponente 28 und stromaufwärts der vierten Abgasnachbehandlungskomponente 30 ist ein zweites Dosierelement 62 zur Eindosierung eines Reduktionsmittels, insbesondere wässriger Harnstofflösung, in die Abgasanlage 20 angeordnet.
Stromaufwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente 24 ist ein erster Temperatursensor 50 zur Temperaturmessung des Abgasstroms 66 in der Abgasanlage 20 angeordnet. Stromabwärts der dritten Abgasnachbehandlungskomponente 28 und stromaufwärts der vierten Abgasnachbehandlungskomponente 30 ist ein zweiter Temperatursensor 52 zur Temperaturmessung des Abgasstroms 66 in der Abgasanlage 20 angeordnet. Stromabwärts der ersten, zweiten und dritten Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26, 28 befindet sich jeweils ein NOx-Sensor 54, 56, 57 zur Messung der Stickoxidkonzentration und Bestimmung der einzuspritzenden Reduktionsmittelmenge. Stromabwärts der fünften Abgasnachbehandlungskomponente 32 befindet sich ein vierter NOx-Sensor 58 zur Bestimmung der Endrohr-Konzentration an Stickoxiden und somit der Fahrzeugemission.
Dem Dieselmotor 10 ist ein Steuergerät 70 mit einer Speichereinheit 72 und einer Recheneinheit 74 zugeordnet. In der Speichereinheit 72 ist ein Computerprogrammcode 76 abgelegt, welcher bei Ausführung des Computerprogrammcodes 76 durch die Recheneinheit 74 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Dieselmotors 10 ausführt. Zudem ist dem Motor eine On-Board-Diagnoseeinheit 78 zugeordnet. Die von der Diagnoseeinheit 78 ermittelten und in der Speichereinheit 72 abgelegten Emissionsdaten können auch für einen externen Zugriff, insbesondere im Rahmen einer Werkstattanalyse, beispielsweise im Rahmen einer Testerausgabe über eine OBD-Schnittstelle oder mittels drahtloser Datenübertragung, zur Verfügung gestellt werden.
In 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem für einen Dieselmotor 10 dargestellt. Der Dieselmotor 10 ist vorzugsweise als direkteinspritzender Dieselmotor ausgeführt. Der Dieselmotor 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 Brennraum 12 wird durch einen Kolben begrenzt, welcher verschiebbar in einem Zylinder des Dieselmotors 10 angeordnet ist. Der Kolben ist über ein Pleuel mit einer Kurbelwelle des Dieselmotors 10 verbunden, wobei das Pleuel eine oszillierende Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle überträgt. Der Dieselmotor 10 ist mit seinem Einlass mit einem in 1 nicht dargestellten Luftversorgungssystem und mit seinem Auslass 16 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 64, in welchem sich in Strömungsrichtung eines Abgasstromes 66 des Dieselmotors 10 durch die Abgasanlage 20 eine Turbine 22 eines Abgasturboladers 18, stromabwärts der Turbine 22 des Abgasturboladers 18 eine erste Abgasnachbehandlungskomponente 24, insbesondere ein Oxidationskatalysator 34, stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente 24 als zweite Abgasnachbehandlungskomponente 26 ein Partikelfilter 40 mit einer katalytischen Beschichtung 42 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden und stromabwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente 26 eine vierte Abgasnachbehandlungskomponente 30 befindet. Stromabwärts der vierten Abgasnachbehandlungskomponente 30 kann eine fünfte Abgasnachbehandlungskomponente 32, insbesondere ein Oxidationskatalysator 46 oder ein Ammoniak-Sperrkatalysator 48 angeordnet sein.
Stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente 24 und stromaufwärts des Partikelfilters 40 mit der Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden 42 ist ein erstes Dosierelement 60 zur Eindosierung eines Reduktionsmittels, insbesondere wässriger Harnstofflösung, in die Abgasanlage 20 angeordnet. Dabei erfolgt die Eindosierung des Reduktionsmittels stromaufwärts zumindest einer Abgasnachbehandlungskomponente 26, 30 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden. Stromabwärts des Partikelfilters 40 mit der Beschichtung 42 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden und stromaufwärts der vierten Abgasnachbehandlungskomponente 30 ist ein zweites Dosierelement 62 zur Eindosierung eines Reduktionsmittels, insbesondere wässriger Harnstofflösung, in die Abgasanlage 20 angeordnet.
Stromabwärts der Turbine 22 des Abgasturboladers 18 und stromaufwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente 24 ist ein erster Temperatursensor 50 zur Temperaturmessung des Abgasstroms 66 in der Abgasanlage 20 angeordnet. Stromabwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponenten 26 und stromaufwärts der vierten Abgasnachbehandlungskomponente 30 ist ein zweiter Temperatursensor 52 zur Temperaturmessung des Abgasstroms 66 in der Abgasanlage 20 vorgesehen. Stromabwärts der ersten und der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente 24, 26 befindet sich ein NOx-Sensor 54, 56 zur Messung der Stickoxidkonzentration und Bestimmung der einzuspritzenden Reduktionsmittelmenge. Stromabwärts der vierten Abgasnachbehandlungskomponente 32 befindet sich ein dritter NOx-Sensor 58 zur Bestimmung der Endrohr Konzentration an Stickoxiden und somit der Fahrzeugemission. Eine dritte Abgasnachbehandlungskomponente 28 kann in diesem Ausführungsbeispiel entfallen, da die Funktionalität der dritten Abgasnachbehandlungskomponente 28 in die zweite Abgasnachbehandlungskomponente 26 integriert ist.
Dem Dieselmotor 10 ist ein Steuergerät 70 mit einer Speichereinheit 72 und einer Recheneinheit 74 zugeordnet. In der Speichereinheit 72 ist ein Computerprogrammcode 76 abgelegt, welcher bei Ausführung des Computerprogrammcodes 76 durch die Recheneinheit 74 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Dieselmotors 10 ausführt. Zudem ist eine Datenverbindung von dem Steuergerät 70 an eine On-Board-Diagnoseeinheit 78 vorgesehen. Alternativ kann die On-Board-Diagnoseeinheit 78 auch in das Steuergerät 70 integriert sein. Die von der Diagnoseeinheit 78 ermittelten und in der Speichereinheit 72 abgelegten Emissionsdaten können auch für einen externen Zugriff, insbesondere im Rahmen einer Werkstattanalyse, beispielsweise im Rahmen einer Testerausgabe über eine OBD-Schnittstelle oder mittels drahtloser Datenübertragung, zur Verfügung gestellt werden.
In 3 ist ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Dieselmotors 10 dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt <100> werden zumindest zwei Temperaturen T1, T2 an zwei Temperatursensoren 50, 52 in der Abgasanlage 20 des Verbrennungsmotors 10 ermittelt. In einem Verfahrensschritt <110> wird unter Verwendung der ermittelten zwei Temperaturen T1, T2 in der Abgasanlage 20 ein Abgas-Temperaturmodell erstellt. In einem Verfahrensschritt <120> werden die Rohemissionen des Dieselmotors 10 anhand eines Rohemissionsmodell berechnet. In einem Verfahrensschritt <130> wird eine Wirksamkeit einer ersten Abgasnachbehandlungskomponente 24, insbesondere eines Oxidationskatalysators 34 des Abgasnachbehandlungssystems unter Verwendung von Daten aus dem Rohemissionsmodell und dem Abgas-Temperaturmodell modelliert. In einem Verfahrensschritt <140> wird eine Wirksamkeit der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente 26 des Abgasnachbehandlungssystems, insbesondere eines SCR-Katalysators 38 oder eines Partikelfilters 40 mit einer Beschichtung 42 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden unter Verwendung einer durch das erste Dosierelement 60 eindosierten Reduktionsmittelmenge modelliert. In einem Verfahrensschritt <150> wird eine Wirksamkeit der vierten Abgasnachbehandlungskomponente 28, 30 des Abgasnachbehandlungssystems, insbesondere eines weiteren SCR-Katalysators 44, unter Verwendung einer durch das zweite Dosierelement 62 eindosierten Reduktionsmittelmenge modelliert. Ferner kann in einem weiteren Verfahrensschritt <160> eine Wirksamkeit einer fünften Abgasnachbehandlungskomponente 32, insbesondere eines Oxidationskatalysators 46 oder eines Ammoniaksperrkatalysators 48, modelliert werden.
Aus dem Abgas-Temperaturmodell, dem Rohemissionsmodell sowie den modellierten Wirksamkeiten der Abgasnachbehandlungskomponenten 24, 26, 28, 30, 32 kann auf eine zu erwartende Endrohremission geschlossen werden. Diese zu erwartende Endrohremission kann mit den an dem NOx-Sensor gemessenen Emissionen verglichen und im Rahmen eines On-Board-Monitorings überwacht werden. Dadurch ist ein kontinuierliches Überwachen der Emissionen im realen Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeuges möglich.
Bezugszeichenliste

10: Dieselmotor
12: Brennraum
14: Kraftstoffinjektor
16: Auslass
18: Abgasturbolader
20: Abgasanlage
22: Turbine
24: erste Abgasnachbehandlungskomponente
26: zweite Abgasnachbehandlungskomponente
28: dritte Abgasnachbehandlungskomponente
30: vierte Abgasnachbehandlungskomponente
32: fünfte Abgasnachbehandlungskomponente
34: Oxidationskatalysator
36: elektrisches Heizelement
38: SCR-Katalysator (Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden)
40: Partikelfilter
42: Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden
44: zweiter SCR-Katalysator
46: Oxidationskatalysator
48: Ammoniak-Sperrkatalysator
50: erster Temperatursensor
52: zweiter Temperatursensor
54: erster NOx-Sensor
56: zweiter NOx-Sensor
57: weiterer NOx-Sensor
58: dritter NOx-Sensor
60: erstes Dosierelement
62: zweites Dosierelement
64: Abgaskanal
66: Abgasstrom
70: Steuergerät
72: Speichereinheit
74: Recheneinheit
76: Computerprogrammcode
78: On-Board-Diagnoseeinheit
<100>: erster Verfahrensschritt
<110>: zweiter Verfahrensschritt
<120>: dritter Verfahrensschritt
<130>: vierter Verfahrensschritt
<140>: fünfter Verfahrensschritt
<150>: sechster Verfahrensschritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019203798 A1 [0005]

Claims

Abgasnachbehandlungssystem für einen Dieselmotor (10), umfassend: - eine Abgasanlage (20) mit einem Abgaskanal (64), - eine in der Abgasanlage (20) angeordnete erste Abgasnachbehandlungskomponente (24), welche einen Oxidationskatalysator (34) umfasst, - eine in der Abgasanlage (20) stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente (24) angeordnete zweite Abgasnachbehandlungskomponente (26) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, - eine in der Abgasanlage (20) stromabwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente (26) angeordnete vierte Abgasnachbehandlungskomponente (30) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, - ein stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente (24) und stromaufwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente (26) angeordnetes erstes Dosierelement (60) zur Eindosierung eines Reduktionsmittels in die Abgasanlage (20), - ein stromabwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente (26) und stromaufwärts der vierten Abgasnachbehandlungskomponenten (30) zweites Dosierelement (62) zur Eindosierung eines Reduktionsmittels in die Abgasanlage (20), - einen in der Abgasanlage (20) stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente (24) angeordneten Partikelfilter (40, 42), - einen in der Abgasanlage (20) stromaufwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente (24) angeordneten ersten Temperatursensor (50) und einen in der Abgasanlage (20) stromabwärts des Partikelfilters (40, 42) angeordneten zweiten Temperatursensor (52), sowie - einen NOx-Sensor (58), welcher stromabwärts sämtlicher Abgasnachbehandlungskomponenten (24, 26, 30) in der Abgasanlage (20) angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungssystem für einen Dieselmotor (10) nach Anspruch 1, wobei die erste Abgasnachbehandlungskomponente (24) ein elektrisches Heizelement (36) zum Aufheizen der ersten Abgasnachbehandlungskomponente (24) umfasst.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Abgasnachbehandlungskomponente (26) als ein Partikelfilter (40) mit einer Beschichtung (42) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ausgeführt ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei stromabwärts der vierten Abgasnachbehandlungskomponente (30) eine fünfte Abgasnachbehandlungskomponente (32) angeordnet ist, wobei die fünfte Abgasnachbehandlungskomponente (32) einen Oxidationskatalysator (46) oder einen Ammoniak-Sperrkatalysator (48) umfasst.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in der Abgasanlage (20) stromaufwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente (24) eine Turbine (22) eines Abgasturboladers (18) angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in der Abgasanlage (20) stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente (24) und stromaufwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente (26) ein erster NOx-Sensor (54) und stromabwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente (26) und stromaufwärts der vierten Abgasnachbehandlungskomponente (30) ein zweiter NOx-Sensor (56) angeordnet ist.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Dieselmotors (10) mit einem Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend folgende Schritte: - Ermitteln von zumindest zwei Temperaturen (T₁, T₂) an Temperatursensoren (50, 52) in der Abgasanlage (20) des Dieselmotors (10), - Erstellen eines Abgas-Temperaturmodells unter Verwendung der ermittelten Temperaturen (T₁, T₂) in der Abgasanlage (20), - Berechnen der Rohemissionen des Dieselmotors (10) anhand eines Rohemissionsmodell, - Modellieren einer Wirksamkeit der ersten Abgasnachbehandlungskomponente (24) des Abgasnachbehandlungssystems unter Verwendung von Daten aus dem Rohemissionsmodell und dem Abgas-Temperaturmodell, - Modellieren einer Wirksamkeit der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente (26) des Abgasnachbehandlungssystems unter Verwendung einer durch das erste Dosierelement (60) eindosierten Reduktionsmittelmenge, - Modellieren einer Wirksamkeit der vierten Abgasnachbehandlungskomponente (28, 30) des Abgasnachbehandlungssystems unter Verwendung einer durch das zweite Dosierelement (62) eindosierten Reduktionsmittelmenge.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Dieselmotors (10) nach Anspruch 7, wobei zusätzlich eine Veränderung der Abgaskomponenten beim Durchströmen des Partikelfilters (40) modelliert wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Dieselmotors (10) nach Anspruch 7 oder 8, wobei stromabwärts der vierten Abgasnachbehandlungskomponente (30) eine fünfte Abgasnachbehandlungskomponente (32) angeordnet ist, wobei die fünfte Abgasnachbehandlungskomponente (32) einen Oxidationskatalysator (46) oder einen Ammoniak-Sperrkatalysator (48) umfasst und die Wirksamkeit der fünften Abgasnachbehandlungskomponente modelliert wird.
Dieselmotor (10) mit einem Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6 sowie mit einem Steuergerät (70), umfassend eine Speichereinheit (72) und eine Recheneinheit (74) sowie einen in der Speichereinheit (72) abgelegten Computerprogrammcode (76), wobei das Steuergerät (70) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9 auszuführen, wenn der Computerprogrammcode (76) durch die Recheneinheit (74) ausgeführt wird.