WO2007112859A1 - Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine brennkraftmaschine - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an exhaust aftertreatment device and an exhaust aftertreatment method for an internal combustion engine having an SCR catalyst unit for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides.
  • SCR catalysts are known, in particular in diesel internal combustion engines, for reducing the nitrogen oxides in the exhaust gas mass flows.
  • an aqueous urea solution HWL
  • SCR catalysts are commonly used in vehicles with other types of catalysts and particulate filters.
  • the SCR catalysts require a catalyst temperature which is above a light-off temperature of about 170 0 C to 200 0 C.
  • a warm catalyst for example, cools during long periods of idle and then is not immediately ready for use in subsequent high load phases.
  • the present invention has been made in view of this problem. It is therefore an object of the invention to provide an exhaust aftertreatment device and an exhaust aftertreatment method for an internal combustion engine having an SCR catalyst unit, in which the efficiency of the entire system is improved in the dynamic driving operation.
  • an exhaust gas aftertreatment device with an SCR catalyst with which the nitrogen oxide emission is to be reduced, especially in load increases and warm-up of the engine.
  • a bypass to the exhaust gas passage is provided upstream of the SCR catalyst, through which the exhaust gas mass flow can be passed through an adsorption catalyst in certain operating conditions (rapid load increase, warm-up) in which the nitrogen oxides contained in the exhaust gas are adsorbed.
  • an exhaust aftertreatment device having the features of claim 1 and an exhaust aftertreatment method having the features of claim 15, respectively.
  • Advantageous embodiments and further developments of the invention are the subject of the respective subclaims.
  • the exhaust aftertreatment device for an internal combustion engine has an SCR catalyst unit for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides with an exhaust gas inlet and an exhaust gas outlet.
  • this SCR catalytic converter unit comprises: a parallel circuit of an SCR main catalytic converter and an SCR secondary catalytic converter, wherein the SCR main catalytic converter is designed for the complete exhaust gas mass flow through the SCR catalytic converter unit and the SCR side catalyst is designed for a lower exhaust gas mass flow than the main SCR catalyst; a blocking device for blocking the exhaust gas mass flow through the main SCR catalytic converter; and a control device for controlling the operation of the inhibiting device such that the exhaust gas mass flow through the SCR main catalyst is inhibited when the exhaust gas temperature is less than a predetermined temperature related to a light-off temperature of the SCR main catalyst.
  • the SCR main catalyst has a specific light-off temperature, above which the nitrogen oxides are reduced in the exhaust gas mass flow flowing through it. If, in a dynamic engine operation, the light-off temperature is undershot by the exhaust gas temperature, then the internal combustion engine is usually operated at very low load and the exhaust gas mass flows are likewise low. In the map areas with very low exhaust gas mass flow and low exhaust gas temperature, therefore, the SCR main catalyst can be blocked by the locking device. The entire, in this case lower exhaust gas mass flow then flows through the SCR side catalyst, which is dimensioned so that it can reduce the nitrogen oxides in these lower exhaust gas mass flows.
  • the SCR main catalytic converter By shutting off the SCR main catalytic converter at low exhaust gas temperatures, cooling of the main SCR catalytic converter by exhaust gases flowing through it is avoided. If the internal combustion engine is subsequently operated again at a higher load, so that the exhaust gas temperature again rises above the light-off temperature of the SCR main catalytic converter, then the blocking device is opened again.
  • the SCR main catalytic converter is immediately ready for use as it has not cooled due to the cooler exhaust gas mass flow and can reduce the nitrogen oxides.
  • the SCR secondary catalyst is switched into the exhaust gas flow and can also be traversed by exhaust gas.
  • the blocking of the SCR main catalytic converter by the blocking device at low exhaust gas temperatures thus causes the SCR main catalytic converter to be heated outside of low-load phases during dynamic operation, for example in the inner-city area, and does not cool down so much within the low-load phases of the internal combustion engine associated with very low exhaust gas temperatures that it must first be reheated until it reaches its effectiveness in a subsequent operating phase with higher load and higher exhaust gas temperature.
  • the efficiency of the entire system is significantly increased in the dynamic operation of the internal combustion engine.
  • the locking device is preferably provided at the outlet of the SCR main catalyst, but may also be mounted at its entrance.
  • a temperature of the exhaust gas mass flow detected by a temperature detecting device by the SCR catalyst unit a volume of the exhaust gas mass flow detected by a volume detecting device by the SCR catalyst unit, a load state of the internal combustion engine detected by a load detecting device, or the like may be used Sizes are in a certain mutual relationship.
  • the SCR Maukatalysator has a lower light-off temperature than the SCR main catalyst and is designed for exhaust gas temperatures below about 250 0 C, preferably below about 200 0 C.
  • the SCR minor catalyst is designed for exhaust gas mass flows of about 10-20% of that of the main SCR catalytic converter.
  • the SCR by-catalyst has a volume which is preferably only about 10-20% of the main SCR catalyst volume.
  • the SCR secondary catalyst is also provided with a nitrogen oxide storage coating.
  • the SCR catalyst unit further comprises a flow guide for conducting substantially the entire exhaust gas mass flow through the main SCR catalytic converter with the locking device open. If the SCR side catalyst is provided with the nitrogen oxide storage coating, the flow director prevents the exhaust gas mass streams at very high temperatures from flowing through the SCR by-pass catalyst and the heated coating then oxidizes the reductant. For the SCR secondary catalyst, therefore, a coating having an oxidation-catalytic effect can advantageously be selected.
  • the flow-guiding device can be designed, for example, as a fixed guide element or an adjustable flap element.
  • the locking device is actuated by the control device by compressed air (in particular in the case of commercial vehicles), by electric actuators or by the exhaust back pressure itself.
  • the temperature detection device for the exhaust gas temperature may be arranged upstream, downstream and / or within the SCR catalyst unit.
  • a reducing agent adding device for injecting a reducing agent into the exhaust gas mass flow is provided in a conventional manner. This is preferably an adding device for aqueous urea solution or another reducing agent which is selective with respect to nitrogen oxide reduction under oxidizing conditions.
  • the exhaust aftertreatment method for an internal combustion engine having an SCR catalyst unit for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides is characterized according to the invention in that the SCR catalyst unit comprises a parallel circuit of a SCR main catalyst and an SCR side catalyst, wherein the SCR main catalyst for the entire exhaust gas mass flow is designed by the SCR catalyst unit and the SCR Crowkatalysator designed for a lower exhaust gas mass flow than the SCR main catalyst; and that the exhaust gas mass flow is blocked by the SCR main catalyst when the exhaust gas temperature falls below a predetermined temperature, which is related to a light-off temperature of the SCR main catalyst.
  • a temperature of the exhaust gas mass flow through the SCR catalyst unit, a volume of the exhaust gas mass flow through the SCR catalyst unit, a load state of the internal combustion engine or the like is detected.
  • the exhaust gas mass flow through the main SCR catalytic converter is blocked, in particular, when the exhaust gas temperature falls below the light-off temperature of the main SCR catalytic converter. And preferably is above the predetermined temperature in the Essentially, the entire exhaust gas mass flow passed through the SCR main catalyst.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the structure of a
  • FIG. 2 is a schematic timing diagram for explaining the operation of the SCR catalyst unit of FIG. 1.
  • FIG. 2 is a schematic timing diagram for explaining the operation of the SCR catalyst unit of FIG. 1.
  • FIG. 1 the structure of an SCR catalyst unit 10 of an exhaust aftertreatment device of an internal combustion engine, in particular a diesel engine of a commercial vehicle is shown schematically.
  • the SCR catalytic converter unit 10 consists of a common housing 11 with an upstream exhaust gas inlet 12 and a downstream exhaust gas outlet 14, in which an SCR main catalytic converter 18 and an SCR secondary catalytic converter 20 are arranged in parallel.
  • a reducing agent adding device 16 for example, for injecting an aqueous urea solution (HWL) into the exhaust gas mass flow is provided in a conventional manner to provide ammonia as a reducing agent for the nitrogen oxides.
  • HWL aqueous urea solution
  • the SCR main catalyst 18 and the SCR by-pass catalyst 20 are configured to selectively reduce nitrogen oxides under oxidizing conditions by using the reducing agent which is preferably selective in this respect.
  • the catalysts 18, 20 are preferably designed as so-called full catalysts or as coated catalysts in honeycomb construction.
  • one or more temperature sensing devices 22-25 are arranged upstream, downstream and / or within the SCR catalyst unit 10.
  • the SCR main catalyst 18 is designed for the total exhaust gas mass flow through the SCR catalyst unit 10 and has a conventional light-off temperature of about 170-200 0 C.
  • the SCR-side catalyst 20 is, however, for much lower exhaust gas mass flows, for example from about 10-20% that of the SCR main catalyst 20 is designed.
  • the SCR side catalyst 20 has a lower light-off temperature than the SCR main catalyst 18, for example, it is designed for operation in an exhaust gas temperature range below about 200- 25O 0 C.
  • the SCR side catalyst 20 is also preferably provided with a coating that can store nitrogen oxides.
  • the coating is preferably designed so that nitrogen oxides, in particular at low temperatures of, for example, less than 200 0 C can be stored. In the case of a temperature-induced low catalytic nitrogen oxide conversion thus nitrogen oxides can be removed by storage at least partially from the exhaust stream.
  • a blocking device 26 for blocking the exhaust gas mass flow through the SCR main catalyst 18 and shutdown of the SCR main catalyst 18 is further arranged.
  • This locking device 26 is driven by an electronic control device 28 in response to the exhaust temperature measured by the temperature detecting device (s) 22-25.
  • the operation of the locking device 26 itself is preferably carried out in commercial vehicles with compressed air (as indicated in the illustration of Fig. 1), but can also be done by electric actuators or independently by the exhaust back pressure.
  • the SCR Crowkatalysator 20 is not switched or always open and therefore can always be traversed by the exhaust gases of the internal combustion engine.
  • a flow guide device 30 in the form of a fixed guide element (as shown in FIG. 1) or an adjustable flap element is also arranged in the housing 11 of the SCR catalytic converter unit 10.
  • this flow-guiding device 30 essentially causes the entire exhaust gas mass flow passed through the SCR main catalyst 18, which is dimensioned for these large exhaust gas mass flows. This avoids that the nitrogen oxide storage coating of the SCR secondary catalyst 20 is heated by the exhaust gas mass flows of higher temperature and then oxidizes the reducing agent. At low exhaust gas temperature, ie with the locking device 26 closed, and low exhaust gas mass flows, despite the flow-guiding device 30, they pass through the SCR secondary catalytic converter 20.
  • the SCR catalyst unit 10 may also be combined with further catalysts and / or particulate filters for after-treatment of the exhaust gases of the internal combustion engine.
  • the SCR main catalyst 18 has a light-off temperature below which it can reduce only a few or no nitrogen oxides.
  • the exhaust gas temperature is determined in the system by the temperature sensing device (s) 22-25.
  • the internal combustion engine is usually operated at very low load, so that the exhaust gas mass flows are low. Typically, these are operating points with an engine load or engine speed that are less than about 20% of their respective nominal values.
  • the locking device 26 is actuated by the control device 28, that is closed. The entire exhaust gas mass flow then flows through the SCR secondary catalyst 20, which is sufficiently dimensioned for these lower exhaust gas mass flows.
  • Blocking the SCR main catalyst 18 at low exhaust gas temperatures avoids cooling of the main SCR catalyst 18 by the exhaust gases passing therethrough. If the internal combustion engine is later operated again at higher load during dynamic operation, so that the exhaust gas temperature in the SCR catalyst unit 10 is above the light-off temperature of the SCR main catalytic converter 18 or at least above a possibly. also calculatively determined SCR main catalyst temperature, the locking device 28 is opened by the control device 28 again. The SCR main catalyst 18, since it has not cooled down or only insignificantly cooled in the meantime, immediately ready for use to reduce the nitrogen oxides in the exhaust gas mass flow.
  • FIG. 2 shows an exemplary time profile of the exhaust gas temperature and the temperature of an SCR catalytic converter 18 with and without a blocking device 26 in order to clarify the relationships described above.
  • the exhaust gas temperature in the SCR catalyst unit 10 is, for example, in high-load operation of the internal combustion engine above the light-off temperature of the SCR main catalyst 18.
  • the blocking device 26 is open, the hot exhaust gases flow through the SCR Hauptkata- lysator 18 and also the temperature of the SCR main catalyst 18 is above its light-off temperature, so that it shows its full functionality.
  • the motor vehicle In dynamic operation of the internal combustion engine, the motor vehicle is operated in a subsequent phase 2 at low load.
  • the exhaust gas temperature falls below the light-off temperature of the main SCR catalyst 18, therefore, in the case of the present invention, the lock-up device 26 is closed by the control device 28 and the exhaust gas mass flow is blocked by the main SCR catalyst 18.
  • the SCR Hauptkatalysa- tor 18 can thus keep its temperature substantially unchanged, since heat is released exclusively by heat conduction and radiation to the outside.
  • FIG. 2 also shows the case of a conventional SCR catalyst without a blocking device.
  • the SCR catalyst is not closed in phase 2, the exhaust gases flow through the SCR catalyst at a lower temperature and its temperature falls below the light-off temperature after a short time. If the exhaust gas temperature in phase 3 again exceeds the light-off temperature of the SCR catalytic converter, then the conventional SCR catalytic converter requires a certain time until its temperature again reaches the light-off temperature. During this time, although the hot exhaust gases flow through the SCR catalyst, this can not effectively reduce the nitrogen oxides, since its temperature is still below the light-off temperature.

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Abstract

Es wird eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einer SCR-Katalysatoreinheit (10) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden mit einem Abgaseintritt (12) und einem Abgasaustritt (14) offenbart. Die erfindungsgemäße SCR-Katalysatoreinheit (10) weist eine Parallelschaltung eines SCR-Hauptkatalysators (18) und eines SCR-Nebenkatalysators (20), wobei der SCR-Hauptkatalysator (18) für den kompletten Abgasmassenstrom durch die SCR-Katalysatoreinheit ausgelegt ist und der SCR-Nebenkatalysator (20) für einen geringeren Abgasmassenstrom als der SCR-Hauptkatalysator ausgelegt ist; eine Sperrvorrichtung (26) zum Sperren des Abgasmassenstroms durch den SCR-Hauptkatalysator (18); und eine Steuervorrichtung (28) zum Steuern des Betriebs der Sperrvorrichtung (26) derart, dass der Abgasmassenstrom durch den SCR-Hauptkatalysator (18) gesperrt wird, wenn die Abgastemperatur eine vorgegebene Temperatur unterschreitet, die mit einer Anspringtemperatur des SCR-Hauptkatalysators (18) in Beziehung steht, auf. Mit dieser Abgasnachbehandlungsvorrichtung kann der Wirkungsgrad des gesamten Systems im dynamischen Betrieb der Brennkraftmaschine verbessert werden.

Description

Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungs- vorrichtung und ein Abgasnachbehandlungsverfahren für eine Brennkraftmaschine mit einer SCR-Katalysatoreinheit zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden.
In der Kraftfahrzeugtechnik sind insbesondere bei Diesel - brennkraftmaschinen zur Reduktion der Stickoxide in den Abgasmassenströmen so genannte SCR-Katalysatoren bekannt. Zur selektiven katalytischen Reduktion der Stickoxide wird in den Abgasmassenstrom meist eine wässrige Harnstofflösung (HWL) eingespritzt, aus der Ammoniak entsteht, der bei entsprechender Temperatur im SCR-Katalysator mit den Stickoxiden als Reduktionsmittel reagiert. SCR-Katalysatoren werden in Fahrzeugen üblicherweise mit weiteren Arten von Katalysatoren und Partikelfiltern eingesetzt.
Zur wirksamen Reduktion der Stickoxide benötigen die SCR- Katalysatoren eine Katalysatortemperatur, die oberhalb einer Anspringtemperatur von etwa 1700C bis 2000C liegt. Im Stadtbetrieb liegt die Abgastemperatur bei Niedriglastphasen oftmals unterhalb dieser Anspringtemperatur. Dies führt dazu, dass ein warmer Katalysator zum Beispiel während langer Leerlaufphasen auskühlt und dann bei anschließenden Hochlastphasen nicht unmittelbar einsatzbereit ist. Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht dieser Problematik gemacht. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung und ein Abgasnachbehandlungsverfahren für eine Brennkraftmaschine mit einer SCR-Katalysa- toreinheit bereitzustellen, bei denen der Wirkungsgrad des gesamten Systems im dynamischen Fahrbetrieb verbessert ist.
In diesem Zusammenhang ist aus der DE 197 40 702 Cl eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit einem SCR-Katalysator bekannt, mit welcher die Stickoxidemission insbesondere bei Lasterhöhungen und im Warmlauf der Brennkraftmaschine vermindert werden soll. Hierzu ist stromauf des SCR-Katalysators ein Bypass zum Abgaskanal vorgesehen, durch den bei bestimmten Betriebszuständen (schnelle Lastanhebung, Warmlauf) der Abgasmassenstrom über einen Adsorptionskatalysator geleitet werden kann, in dem die im Abgas enthaltenen Stickoxide adsorbiert werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Abgasnachbehandlungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine weist eine SCR-Katalysatoreinheit zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden mit einem Abgaseintritt und einem Abgasaustritt auf. Erfindungsgemäß weist diese SCR-Katalysatoreinheit auf: eine Parallelschaltung eines SCR-Hauptkatalysators und eines SCR-Nebenkatalysators, wobei der SCR-Hauptkatalysator für den kompletten Abgas- massenstrom durch die SCR-Katalysatoreinheit ausgelegt ist und der SCR-Nebenkatalysator für einen geringeren Abgas- massenstrom als der SCR-Hauptkatalysator ausgelegt ist; eine Sperrvorrichtung zum Sperren des Abgasmassenstroms durch den SCR-Hauptkatalysator ; und eine Steuervorrichtung zum Steuern des Betriebs der Sperrvorrichtung derart, dass der Abgasmassenstrom durch den SCR-Hauptkatalysator gesperrt wird, wenn die Abgastemperatur eine vorgegebene Temperatur unterschreitet, die mit einer Anspringtemperatur des SCR-Haupt- katalysators in Beziehung steht.
Der SCR-Hauptkatalysator besitzt eine bestimmte Anspringtemperatur, oberhalb der die Stickoxide im hindurchströmenden Abgasmassenstrom reduziert werden. Wird bei einem dynamischen Motorbetrieb die Anspringtemperatur durch die Abgastemperatur unterschritten, so wird die Brennkraftmaschine üblicherweise bei sehr niedriger Last betrieben und die Abgasmassenströme sind ebenfalls gering. In den Kennfeldbereichen mit sehr geringem Abgasmassenstrom und geringer Abgastemperatur kann daher der SCR-Hauptkatalysator durch die Sperrvorrichtung gesperrt werden. Der gesamte, in diesem Fall geringere Abgasmassenstrom strömt dann durch den SCR-Nebenkatalysator, welcher so dimensioniert ist, dass er die Stickoxide in diesen geringeren Abgasmassenströmen reduzieren kann.
Durch das Abschalten bzw. Sperren des SCR-Hauptkatalysators bei niedrigen Abgastemperaturen wird ein Auskühlen des SCR- Hauptkatalysators durch hindurchströmende Abgase vermieden. Wird die Brennkraftmaschine anschließend wieder bei höherer Last betrieben, sodass die Abgastemperatur wieder über die Anspringtemperatur des SCR-Hauptkatalysators steigt, so wird die Sperrvorrichtung wieder geöffnet. Der SCR-Hauptkatalysator ist sofort wieder einsatzbereit, da er sich durch den kühleren Abgasmassenstrom nicht abgekühlt hat, und kann die Stickoxide reduzieren. Zusätzlich ist vorzugsweise auch weiterhin der SCR-Nebenkatalysator in den Abgasstrom geschaltet und kann ebenfalls von Abgas durchströmt werden.
Das Sperren des SCR-Hauptkatalysators durch die Sperrvorrichtung bei niedrigen Abgastemperaturen bewirkt also, dass im dynamischen Betrieb, zum Beispiel im Innenstadtbereich, der SCR-Hauptkatalysator außerhalb von Niedriglastphasen aufgeheizt wird und sich innerhalb der mit sehr niedrigen Abgastemperaturen verbundenen Niedriglastphasen der Brennkraftmaschine nicht so weit abkühlt, dass er bei einer folgenden Betriebsphase mit höherer Last und höherer Abgastemperatur erst wieder lange aufgeheizt werden muss, bis er seine Wirksamkeit erreicht. Somit wird der Wirkungsgrad des gesamten Systems im dynamischen Betrieb der Brennkraftmaschine deutlich erhöht.
Die Sperrvorrichtung ist vorzugsweise am Austritt des SCR- Hauptkatalysators vorgesehen, kann aber auch an seinem Eintritt angebracht sein.
Als Maß für die Abgastemperatur kann zum Beispiel eine durch eine Temperaturerfassungsvorrichtung erfasste Temperatur des Abgasmassenstroms durch die SCR-Katalysatoreinheit , ein durch eine Volumenerfassungsvorrichtung erfasstes Volumen des Abgasmassenstroms durch die SCR-Katalysatoreinheit, ein durch eine Lasterfassungsvorrichtung erfasster Lastzustand der Brennkraftmaschine oder dergleichen herangezogen werden, welche Größen in bestimmter wechselseitiger Beziehung zueinander stehen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung besitzt der SCR-Nebenkatalysator eine niedrigere Anspringtemperatur als der SCR- Hauptkatalysator und ist für Abgastemperaturen unterhalb etwa 2500C, vorzugsweise unterhalb etwa 2000C ausgelegt. Außerdem ist der SCR-Nebenkatalysator zum Beispiel für Abgasmassenströme von etwa 10-20% jener des SCR-Hauptkatalysators ausgelegt. Dem entsprechend weist der SCR-Nebenkatalysator ein Volumen auf, welches vorzugsweise nur etwa 10-20% des SCR- Hauptkatalysatorvolumens beträgt .
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der SCR- Nebenkatalysator außerdem mit einer Stickoxid-Speicherbeschichtung versehen.
In einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die SCR-Katalysatoreinheit ferner eine Strömungsleiteinrichtung zum Leiten im Wesentlichen des gesamten Abgasmassenstroms durch den SCR-Hauptkatalysator bei geöffneter Sperrvorrichtung auf. Falls der SCR-Nebenkatalysator mit der Stickoxid- Speicherbeschichtung versehen ist, wird durch die Strömungs- leiteinrichtung verhindert, dass die Abgasmassenströme mit sehr hohen Temperaturen durch den SCR-Nebenkatalysator strömen und die aufgeheizte Beschichtung dann das Reduktionsmittel oxidiert . Für den SCR-Nebenkatalysator kann daher in vorteilhafter Weise eine Beschichtung mit oxidationskataly- tischer Wirkung gewählt werden. Die Strömungsleiteinrichtung kann zum Beispiel als ein festes Leitelement oder ein verstellbares Klappenelement ausgebildet sein.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Sperrvorrichtung durch die Steuervorrichtung durch Druckluft (insbesondere im Fall von Nutzfahrzeugen) , durch elektrische Stellantriebe oder durch den Abgasgegendruck selbst betätigt.
Die Temperaturerfassungsvorrichtung für die Abgastemperatur kann stromauf, stromab und/oder innerhalb der SCR-Katalysatoreinheit angeordnet sein. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in üblicher Weise stromauf der SCR-Katalysatoreinheit eine Reduktionsmittelzugabevorrichtung zum Einspritzen eines Reduktionsmittels in den Abgasmassenstrom vorgesehen. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um eine Zugabevorrichtung für wässrige Harnstoff- lösung oder ein anderes, hinsichtlich der Stickoxidreduktion bei oxidierenden Bedingungen selektiv wirkendes Reduktionsmittel .
Das Abgasnachbehandlungsverfahren für eine Brennkraftmaschine mit einer SCR-Katalysatoreinheit zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die SCR-Katalysatoreinheit eine Parallelschaltung eines SCR-Hauptkatalysators und eines SCR- Nebenkatalysators aufweist, wobei der SCR-Hauptkatalysator für den kompletten Abgasmassenstrom durch die SCR-Katalysatoreinheit ausgelegt ist und der SCR-Nebenkatalysator für einen geringeren Abgasmassenstrom als der SCR-Hauptkatalysator ausgelegt ist; und dass der Abgasmassenstrom durch den SCR-Hauptkatalysator gesperrt wird, wenn die Abgastemperatur eine vorgegebene Temperatur unterschreitet, die mit einer Anspringtemperatur des SCR-Hauptkatalysators in Beziehung steht.
Als Maß für die Abgastemperatur wird eine Temperatur des Abgasmassenstroms durch die SCR-Katalysatoreinheit, ein Volumen des Abgasmassenstroms durch die SCR-Katalysatoreinheit, ein Lastzustand der Brennkraftmaschine oder dergleichen erfasst .
Der Abgasmassenstrom durch den SCR-Hauptkatalysator wird insbesondere gesperrt, wenn die Abgastemperatur die Anspringtemperatur des SCR-Hauptkatalysators unterschreitet. Und vorzugsweise wird oberhalb der vorgegebenen Temperatur im Wesentlichen der gesamte Abgasmassenstrom durch den SCR- Hauptkatalysator geleitet .
Mit diesem Verfahren werden ebenfalls die oben beschriebenen Wirkungen und Vorteile erzielt.
Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten, nicht-einschränkenden Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer
SCR-Katalysatoreinheit gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 2 ein schematisches Zeitverlaufsdiagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der SCR-Katalysatoreinheit von Fig. 1.
In Fig. 1 ist schematisch der Aufbau einer SCR-Katalysatoreinheit 10 einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine eines Nutzfahrzeugs dargestellt. Die SCR-Katalysatoreinheit 10 besteht insbesondere aus einem gemeinsamen Gehäuse 11 mit einem stromaufwärtigen Abgaseintritt 12 und einem stromab- wärtigen Abgasaustritt 14, in dem ein SCR-Hauptkatalysator 18 und ein SCR-Nebenkatalysator 20 parallel angeordnet sind. Stromauf der SCR-Katalysatoreinheit 10 ist in üblicher Weise eine Reduktionsmittelzugabevorrichtung (16) zum Beispiel zum Einspritzen einer wässrigen Harnstofflösung (HWL) in den Abgasmassenstrom vorgesehen, um Ammoniak als Reduktionsmittel für die Stickoxide bereitzustellen. Alternativ kann auch direkt gasförmiges Ammoniak oder Ammoniak in wässriger Lösung eingespritzt werden. Dem entsprechend sind der SCR-Hauptkata- lysator 18 und der SCR-Nebenkatalysator 20 zur selektiven Reduktion von Stickoxiden unter oxidierenden Bedingungen unter Verwendung des diesbezüglich vorzugsweise selektiv wirkenden Reduktionsmittels ausgebildet. Die Katalysatoren 18, 20 sind vorzugsweise als so genannten Vollkatalysatoren oder als beschichtete Katalysatoren in Wabenkörperbauform ausgebildet .
Zum Erfassen der Abgastemperatur sind eine oder mehrere Temperaturerfassungsvorrichtungen 22-25 stromauf, stromab und/oder innerhalb der SCR-Katalysatoreinheit 10 angeordnet.
Anstelle einer direkten Messung der Abgastemperatur durch die Temperaturerfassungsvorrichtung (en) 22-25 ist es grundsätzlich auch möglich, als Maß für diese Abgastemperatur ein durch eine Volumenerfassungsvorrichtung erfasstes Volumen des Abgasmassenstroms durch die SCR-Katalysatoreinheit 10, einen durch eine Lasterfassungsvorrichtung erfassten Lastzustand der Brennkraftmaschine oder dergleichen heranzuziehen, da diese Größen in bestimmter wechselseitiger Beziehung zueinander stehen.
Der SCR-Hauptkatalysator 18 ist für den gesamten Abgasmassenstrom durch die SCR-Katalysatoreinheit 10 ausgelegt und besitzt eine übliche Anspringtemperatur von etwa 170-2000C. Der SCR-Nebenkatalysator 20 ist dagegen für deutlich geringere Abgasmassenströme, zum Beispiel von etwa 10-20% derjenigen des SCR-Hauptkatalysators 20 ausgelegt. Außerdem besitzt der SCR-Nebenkatalysator 20 eine niedrigere Anspringtemperatur als der SCR-Hauptkatalysator 18, er ist zum Beispiel für den Betrieb in einem Abgastemperaturbereich unterhalb etwa 200- 25O0C ausgelegt. Der SCR-Nebenkatalysator 20 ist ferner vorzugsweise mit einer Beschichtung versehen, die Stickoxide speichern kann. Die Beschichtung ist vorzugsweise so ausgelegt, dass Stickoxide insbesondere bei niedrigen Temperaturen von beispielsweise weniger als 200 0C gespeichert werden können. Im Falle eines temperaturbedingten niedrigen katalytischen Stickoxidumsatzes können somit Stickoxide durch Speicherung wenigstens teilweise aus dem Abgasstrom entfernt werden.
Vorzugsweise am Austritt des SCR-Hauptkatalysators 20, wahlweise aber auch an dessen Eintritt, ist weiter eine Sperrvorrichtung 26 zum Sperren des Abgasmassenstroms durch den SCR-Hauptkatalysator 18 bzw. Abschalten des SCR-Hauptkatalysators 18 angeordnet. Diese Sperrvorrichtung 26 wird durch eine elektronische Steuervorrichtung 28 in Abhängigkeit von der durch die Temperaturerfassungsvorrichtung (en) 22-25 gemessenen Abgastemperatur angesteuert. Die Betätigung der Sperrvorrichtung 26 selbst erfolgt bei Nutzfahrzeugen vorzugsweise mit Druckluft (wie in der Darstellung von Fig. 1 angedeutet) , kann aber auch durch elektrische Stellantriebe oder eigenständig durch den Abgasgegendruck erfolgen.
Im Gegensatz dazu ist der SCR-Nebenkatalysator 20 nicht geschaltet bzw. immer geöffnet und kann daher immer von den Abgasen der Brennkraftmaschine durchströmt werden.
Stromauf des SCR-Hauptkatalysators 18 und des SCR-Neben- katalysators 20 ist im Gehäuse 11 der SCR-Katalysatoreinheit 10 ferner eine Strömungsleiteinrichtung 30 in Form eines festen Leitelements (wie in Fig. 1 dargestellt) oder eines verstellbaren Klappenelements angeordnet.
Bei großen Abgasmassenströmen und geöffneter Sperrvorrichtung 26 wird durch diese Strömungsleiteinrichtung 30 im Wesent- liehen der gesamte Abgasmassenstrom durch den SCR-Haupt- katalysator 18 geleitet, der für diese großen Abgasmassenströme dimensioniert ist. Hierdurch wird vermieden, dass die Stickoxid-Speicherbeschichtung des SCR-Nebenkatalysators 20 durch die Abgasmassenströme höherer Temperatur aufgeheizt wird und dann das Reduktionsmittel oxidiert. Bei niedriger Abgastemperatur, d.h. bei geschlossener Sperrvorrichtung 26, und geringen Abgasmassenströmen gelangen diese trotz der Strömungsleiteinrichtung 30 durch den SCR-Nebenkatalysator 20.
Wie bei herkömmlichen Abgasnachbehandlungsvorrichtung kann die SCR-Katalysatoreinheit 10 auch mit weiteren Katalysatoren und/oder Partikelfiltern zur Nachbehandlung der Abgase der Brennkraftmaschine kombiniert werden.
Es wird nun die Funktionsweise der SCR-Katalysatoreinheit 10 näher erläutert .
Der SCR-Hauptkatalysator 18 besitzt eine Anspringtemperatur, unterhalb der er nur wenige oder keine Stickoxide reduzieren kann. Die Abgastemperatur wird in dem System durch die Temperaturerfassungsvorrichtung (en) 22-25 ermittelt.
Wird bei einem dynamischen Betrieb der Brennkraftmaschine (z.B. bei Fahrten des Kraftfahrzeugs im Innenstadtbereich) eine Abgastemperatur erreicht, welche die Anspringtemperatur des SCR-Hauptkatalysators 18 oder eine um ein vorbestimmtes Maß höhere vorgegebene Temperatur unterschreitet, so wird die Brennkraftmaschine üblicherweise mit sehr niedriger Last betrieben, sodass auch die Abgasmassenströme gering sind. Typischerweise handelt es sich dabei um Betriebspunkte mit einer Motorlast bzw. Motordrehzahl, welche kleiner als etwa 20 % der jeweiligen Nennwerte sind. In diesen Kennfeldberei- chen mit niedriger Abgastemperatur und geringen Abgasmassenströmen wird die Sperrvorrichtung 26 durch die Steuervorrichtung 28 betätigt, d.h. geschlossen. Der gesamte Abgasmassenstrom strömt dann durch den SCR-Nebenkatalysator 20, der für diese geringeren Abgasmassenströme ausreichend dimensioniert ist.
Durch das Sperren bzw. Abschalten des SCR-Hauptkatalysators 18 bei niedrigen Abgastemperaturen wird ein Auskühlen des SCR-Hauptkatalysators 18 durch die hindurchströmenden Abgase vermieden. Wird die Brennkraftmaschine im dynamischen Betrieb später wieder bei höherer Last betrieben, sodass die Abgastemperatur in der SCR-Katalysatoreinheit 10 oberhalb der Anspringtemperatur des SCR-Hauptkatalysators 18 liegt bzw. zumindest oberhalb einer ggf . auch rechnerisch ermittelten SCR-Hauptkatalysatortemperatur, so wird die Sperrvorrichtung 28 durch die Steuervorrichtung 28 wieder geöffnet. Der SCR- Hauptkatalysator 18 ist, da er sich in der Zwischenzeit nicht oder nur unwesentlich abgekühlt hat, sofort wieder einsatzbereit, um die Stickoxide im Abgasmassenstrom reduzieren.
Das Sperren des SCR-Hauptkatalysators 18 bei niedrigen Abgas- temperaturen bewirkt also, dass im dynamischen Betrieb der Brennkraftmaschine, wie beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug im Innenstadtbereich, der SCR-Hauptkatalysator 18 während der Hochlastphasen der Brennkraftmaschine aufgeheizt wird und sich in den Betriebsphasen der Brennkraftmaschine, die sehr niedrige Abgastemperaturen zeigen, nicht so weit abkühlt, dass er sich bei einer folgenden Hochlastphase erst wieder aufwärmen müsste, bis er seine Funktionsfähigkeit erreicht. Damit wird der Wirkungsgrad des Gesamtsystems im dynamischen Betrieb deutlich erhöht. Fig. 2 zeigt zur Verdeutlichung der oben beschriebenen Zusammenhänge einen beispielhaften zeitlichen Verlauf der Abgastemperatur und der Temperatur eines SCR-Katalysators 18 mit und ohne Sperrvorrichtung 26.
In einer ersten Phase 1 in Fig. 2 liegt die Abgastemperatur in der SCR-Katalysatoreinheit 10 zum Beispiel im Hochlastbetrieb der Brennkraftmaschine oberhalb der Anspringtemperatur des SCR-Hauptkatalysators 18. Die Sperrvorrichtung 26 ist geöffnet, die heißen Abgase strömen durch den SCR-Hauptkata- lysator 18 und auch die Temperatur des SCR-Hauptkatalysators 18 liegt oberhalb seiner Anspringtemperatur, sodass er seine volle Funktionsfähigkeit zeigt.
Im dynamischen Betrieb der Brennkraftmaschine wird das Kraftfahrzeug in einer anschließenden Phase 2 bei niedriger Last betrieben. Die Abgastemperatur fällt unter die Anspringtemperatur des SCR-Hauptkatalysators 18, weshalb im Fall der vorliegenden Erfindung die Sperrvorrichtung 26 durch die Steuervorrichtung 28 geschlossen und der Abgasmassenstrom durch den SCR-Hauptkatalysator 18 gesperrt wird. Der SCR-Hauptkatalysa- tor 18 kann so seine Temperatur im Wesentlichen unverändert halten, da Wärme ausschließlich durch Wärmeleitung und -Strahlung nach außen abgegeben wird.
In der Phase 3 wird die Anspringtemperatur des SCR-Hauptkatalysators 18 von der Abgastemperatur wieder überschritten. Die Sperrvorrichtung 26 wird geöffnet und der gesamte Abgasmassenstrom strömt wieder durch den SCR-Hauptkatalysator 18. Da die Temperatur des SCR-Hauptkatalysators 18 immer oberhalb seiner Anspringtemperatur liegt, ist er unmittelbar funktionsfähig und reduziert die Stickoxide im Abgasmassenstrom. Zum Vergleich ist in Fig. 2 auch der Fall eines herkömmlichen SCR-Katalysators ohne Sperrvorrichtung dargestellt.
Wird in Phase 2 der SCR-Katalysator nicht geschlossen, so strömen die Abgase mit niedrigerer Temperatur weiter durch den SCR-Katalysator und seine Temperatur unterschreitet nach kurzer Zeit die Anspringtemperatur. Übersteigt die Abgastemperatur in Phase 3 wieder die Anspringtemperatur des SCR- Katalysators, so benötigt der herkömmliche SCR-Katalysator eine gewisse Zeit, bis seine Temperatur wieder die Anspringtemperatur erreicht. In dieser Zeit durchströmen die heißen Abgase zwar den SCR-Katalysator, dieser kann die Stickoxide aber noch nicht wirksam reduzieren, da seine Temperatur noch unterhalb der Anspringtemperatur liegt.

Claims

Patentansprüche
1. Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, mit einer SCR-Katalysatoreinheit (10) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden mit einem Abgaseintritt (12) und einem Abgasaustritt (14) , dadurch gekennzeichnet, dass die SCR-Katalysatoreinheit (10) aufweist: eine Parallelschaltung eines SCR-Hauptkatalysators (18) und eines SCR-Nebenkatalysators (20) , wobei der SCR-Hauptkatalysator (18) für den kompletten Abgas- massenstrom durch die SCR-Katalysatoreinheit (10) ausgelegt ist und der SCR-Nebenkatalysator (20) für einen geringeren Abgasmassenstrom als der SCR- Hauptkatalysator (18) ausgelegt ist; eine Sperrvorrichtung (26) zum Sperren des Abgas- massenstroms durch den SCR-Hauptkatalysator (18) ; und eine Steuervorrichtung (28) zum Steuern des Betriebs der Sperrvorrichtung (26) derart, dass der Abgas- massenstrom durch den SCR-Hauptkatalysator (18) gesperrt wird, wenn die Abgastemperatur eine vorgegebene Temperatur unterschreitet, die mit einer Anspringtemperatur des SCR-Hauptkatalysators (18) in Beziehung steht.
2. Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrvorrichtung (26) am Eintritt oder am Austritt des SCR-Hauptkatalysators (18) vorgesehen ist.
3. Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine Temperaturerfassungsvorrichtung (22-25) zum Erfassen einer Temperatur des Abgasmassenstroms durch die SCR-Katalysatoreinheit (10) vorgesehen ist.
4. Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine Volumenerfassungsvorrichtung zum Erfassen eines Volumens des Abgasmassenstroms durch die SCR- Katalysatoreinheit (10) vorgesehen ist.
5. Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine Lasterfassungsvorrichtung zum Erfassen eines
Lastzustandes der Brennkraftmaschine vorgesehen ist.
6. Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der SCR-Nebenkatalysator (20) eine niedrigere Anspringtemperatur als der SCR-Hauptkatalysator (18) besitzt .
7. Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der SCR-Nebenkatalysator (20) für Abgastemperaturen unterhalb etwa 2500C, vorzugsweise unterhalb etwa 2000C ausgelegt ist.
8. Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der SCR-Nebenkatalysator (20) für Abgasmassenströme von etwa 10-20% jener des SCR-Hauptkatalysators (18) ausgelegt ist.
9. Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der SCR-Nebenkatalysator (20) mit einer Stickoxid- Speicherbeschichtung versehen ist.
10. Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die SCR-Katalysatoreinheit (10) ferner eine Strömungsleiteinrichtung (30) zum Leiten im Wesentlichen des gesamten Abgasmassenstroms durch den SCR-Hauptkatalysator (18) bei geöffneter Sperrvorrichtung (26).
11. Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleiteinrichtung (30) als ein festes Leitelement oder ein verstellbares Klappenelement ausgebildet ist.
12. Abgasnachbehandlungsvorrichcung für eine Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrvorrichtung (26) durch die Steuervorrichtung (28) durch Druckluft, durch elektrische Stellantriebe oder durch einen Abgasgegendruck betätigt wird.
13. Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerfassungsvorrichtung (22-25) stromauf, stromab und/oder innerhalb der SCR-Katalysatoreinheit (10) angeordnet ist.
14. Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf der SCR-Katalysatoreinheit (10) eine Reduktionsmittelzugabevorrichtung (16) zum Zugeben eines Reduktionsmittels in den Abgasmassenstrom vorgesehen ist.
15. Abgasnachbehandlungsverfahren für eine Brennkraftmaschine mit einer SCR-Katalysatoreinheit (10) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, dadurch gekennzeichnet, dass die SCR-Katalysatoreinheit (10) eine Parallelschaltung eines SCR-Hauptkatalysators (18) und eines SCR-Neben- katalysators (20) aufweist, wobei der SCR-Hauptkataly- sator (18) für den kompletten Abgasmassenstrom durch die SCR-Katalysatoreinheit (10) ausgelegt ist und der SCR- Nebenkatalysator (20) für einen geringeren Abgasmassenstrom als der SCR-Hauptkatalysator (18) ausgelegt ist; und der Abgasmassenstrom durch den SCR-Hauptkatalysator (18) gesperrt wird, wenn die Abgastemperatur eine vorgegebene Temperatur unterschreitet, die mit einer Anspringtemperatur des SCR-Hauptkatalysators (18) in Beziehung steht.
16. Abgasnachbehandlungsverfahren für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur des Abgasmassenstroms durch die SCR- Katalysatoreinheit (10) als Maß für die Abgastemperatur erfasst wird.
17. Abgasnachbehandlungsverfahren für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumen des Abgasmassenstroms durch die SCR- Katalysatoreinheit (10) als Maß für die Abgastemperatur erfasst wird.
18. Abgasnachbehandlungsverfahren für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lastzustand der Brennkraftmaschine als Maß für die
Abgastemperatur erfasst wird.
19. Abgasnachbehandlungsverfahren für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasmassenstrom durch den SCR-Hauptkatalysator (18) gesperrt wird, wenn die Abgastemperatur die Anspringtemperatur des SCR-Hauptkatalysators (18) unterschreitet.
20. Abgasnachbehandlungsverfahren für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der vorgegebenen Temperatur im Wesentlichen der gesamte Abgasmassenstrom durch den SCR-Hauptkatalysator (18) geleitet wird.
21. Abgasnachbehandlungsverfahren für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Abgasmassenstroms stromauf, stromab und/oder innerhalb der SCR-Katalysatoreinheit (10) erfasst wird.
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