WO2017088958A1 - Abgasnachbehandlungseinrichtung für eine verbrennungskraftmaschine sowie verfahren zum betreiben einer antriebseinrichtung mit einer solchen abgasnachbehandlungseinrichtung - Google Patents

Abgasnachbehandlungseinrichtung für eine verbrennungskraftmaschine sowie verfahren zum betreiben einer antriebseinrichtung mit einer solchen abgasnachbehandlungseinrichtung Download PDF

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exhaust
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internal combustion
particulate filter
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Johannes Bleckmann
Claudia ESSMANN
Uwe Gärtner
Alexander Massner
Michael Stiller
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Daimler Ag
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to an exhaust aftertreatment device for a
  • Exhaust gas aftertreatment device and a method for operating such a drive device.
  • Exhaust gas aftertreatment device is used for example in a drive device, which the exhaust aftertreatment device and a
  • the drive device is, for example, a component of a motor vehicle, which can be driven by means of the drive device, in particular by means of the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine is an internal combustion engine.
  • the internal combustion engine has at least one combustion chamber, in particular in the form of a cylinder, which during a fired operation of the
  • the exhaust gas aftertreatment device comprises at least one SCR catalytic converter through which the exhaust gas of the internal combustion engine can flow, by means of which a selective catalytic reduction (SCR) is effected or assisted.
  • SCR selective catalytic reduction
  • the SCR catalyst catalyzes the SCR.
  • NO x nitrogen oxides contained in the exhaust gas are reduced, that is, at least partially removed from the exhaust gas.
  • nitrogen oxides contained in the exhaust gas react in particular with
  • Ingredients which are formed from the reducing agent, to nitrogen and water.
  • the reducing agent used in the context of the present invention is an aqueous urea solution.
  • the aqueous urea solution forms the ammonia (NH 3 ) which is effective in the reduction of nitrogen oxides in the SCR.
  • the exhaust gas aftertreatment device further comprises at least one particle filter, through which the exhaust gas can flow, for retaining soot particles from the exhaust gas.
  • the particulate filter By means of the particulate filter, the exhaust gas is filtered so that at least a portion of the soot particles are filtered by means of the particulate filter from the exhaust gas.
  • DPF diesel particulate filter
  • Object of the present invention is to develop an exhaust aftertreatment device of the type mentioned in such a way that a particularly
  • the exhaust aftertreatment device provided heavy metal and precious metal coating of the particulate filter advantageously has no polluting heavy metals and no other toxic or environmentally harmful substances.
  • the heavy metal and precious metal-free coating of the particulate filter alkali metal silicates wherein in a silicate structure extremely distributed alkali metals, especially potassium as the active component of the catalytic coating
  • Particulate filters with a coating according to this embodiment of the invention can advantageously catalyze solid-state reactions with soot particles.
  • Coatings of the particulate filter according to this embodiment of the invention can be applied to various substrates such as SIC or cordierite.
  • a regeneration of the particulate filter is to be understood that during the regeneration at least a portion of the retained particulate matter in the particulate filter from the Particle filter is removed.
  • the particulate filter is increasingly added with soot particles. This clogging is also referred to as loading or loading of the particulate filter. As part of a regeneration, the loading of the
  • Particulate then at least reduced by the soot particles are oxidized.
  • the particle filter is oxidized as part of the regeneration, for example with N0 2 or burned free with 0 2 .
  • the coating of the particulate filter has the
  • the coating of the particulate filter with alkali and / or alkaline earth metal compounds catalyzes the regeneration of the particulate filter with the aid of N0 2 particularly well, so that such a regeneration based on N0 2 even at low N0 2 input concentrations, such as the N0 2 -Rohemission of the coating of the particulate filter with alkali and / or alkaline earth metal compounds catalyzes the regeneration of the particulate filter with the aid of N0 2 particularly well, so that such a regeneration based on N0 2 even at low N0 2 input concentrations, such as the N0 2 -Rohemission of the
  • Temperatures occur as in particle filters with precious metal coatings, the 0 2 - based regeneration in particle filters with a coating of alkali and / or alkaline earth compounds already at temperatures of about 300 to 350 degrees Celsius, the N0 2 -based regeneration support.
  • the 0 2 -based soot regeneration can also be the N0 2 -based in the temperature window of about 300 to 350 degrees Celsius
  • Noble metal coatings are the 0 2 -based soot oxidation rates in one
  • Particles are used without the disadvantage of undesirable temperature-related damage of exhaust aftertreatment elements occurs, which can occur at the high temperatures of 0 2 -based regenerations of conventional noble metal-containing particulate filters.
  • Exhaust after-treatment device used coating is that this coating and thus the particulate filter has no overall catalytic activity with respect to gas-gas reactions. This means that the chemical reaction of nitric oxide (NO) to nitrogen dioxide (NO 2 ) is not catalyzed by this coating. This lack of catalytic activity with respect to gas-gas reactions is for the invention
  • Reduktionsmitteldosiersystem close to the combustion engine for example, can be positioned directly after a turbocharger. If necessary, incompletely implemented
  • Reducing agent or desorbed by the first SCR catalyst NH 3 is at the
  • Coating the particulate filter is not oxidized to NO or N 2 0 and can be used on the second SCR catalyst for NO x reduction. It is not an ammonia blocking catalyst (ASC) after the first SCR catalyst and not a second one
  • ASC ammonia blocking catalyst
  • Urea processing in particular to a uniform distribution of urea and mixing with the exhaust gas can be used.
  • the invention is based in particular on the knowledge that in particular after a start, in particular after a cold start, the internal combustion engine and after a vehicle operation in the low load range, in particular after a
  • Vehicle operating conditions are so cold that in the subsequent start-up operations or acceleration processes, in which very high exhaust emissions arise, the catalysts and filters must first be brought back to operating temperature.
  • a cooling of catalysts and filters of the exhaust aftertreatment device after such low load operating conditions of the internal combustion engine is particularly strong in motor vehicles in the form of commercial vehicles or trucks with correspondingly higher exhaust emissions than in passenger cars, as in
  • Exhaust after-treatment device consists, which in commercial vehicles or
  • the exhaust gas has a very low temperature.
  • the introduction of the reducing agent is turned off, so it does not
  • Reducing agent is usually switched on or performed only when an SCR catalyst in which the reducing agent is to be reacted, has a temperature which is greater than 180 degrees Celsius.
  • the shutdown of the introduction of the reducing agent has high nitrogen oxide emissions during the operating conditions mentioned, if no appropriate countermeasures are taken.
  • the use of the particulate filter with the coating according to this embodiment of the invention and the use of the second SCR catalytic converter can cause excessive starting and / or low-load operation of the internal combustion engine even in the described start-up processes or acceleration processes
  • the first SCR catalyst By arranging the first SCR catalyst at the very front in the exhaust gas aftertreatment device according to the invention upstream of the particle filter, this first SCR catalytic converter is heated more rapidly after a cold start or after a low load operation of the internal combustion engine Lowering the temperature before entering the first SCR catalyst due to a high heat capacity of a present in conventional exhaust aftertreatment particulate filter in the exhaust gas treatment device according to the invention is eliminated, so that in the exhaust gas after treatment device according to the invention comparatively faster after a cold start or a low load operation of
  • Internal combustion reducing agent can be metered and nitrogen oxides can thus be implemented faster after a cold start or a low-load operation of the internal combustion engine.
  • the nitrogen oxide emissions can be further reduced by means of an exhaust gas aftertreatment device according to the invention.
  • an oxidation catalyst in particular a DOC, which would cause a further reduction in temperature due to its heat capacity in comparison to conventional exhaust aftertreatment devices, so that an even more emission-favorable operation with the invention
  • the underlying idea is, by coating the particle filter with alkali and / or alkaline earth metal compounds, the N0 2 content in the exhaust gas of the
  • Exhaust after-treatment device in particular the SCR catalysts and the particulate filter, can be kept low.
  • a metering device is arranged, by means of which a reducing agent for
  • the exhaust gas is introduced into the exhaust gas.
  • the reducing agent can be introduced at a location in the exhaust gas, wherein this point is arranged upstream of the first SCR catalytic converter with respect to the flow direction of the exhaust gas through the exhaust gas aftertreatment device.
  • the exhaust gas is the previously described, at least partially remove nitrogen oxides from the exhaust gas to understand.
  • an aqueous solution in the context of selective catalytic reduction forms from the reducing agent, an aqueous
  • Urea solution, ammonia which can react with nitrogen oxides contained in the exhaust gas to nitrogen and water. Characterized in that is not oxidized on the coating with alkali and / or alkaline earth metal compounds of the following on the first SCR catalyst particle filter from the aqueous urea solution and remaining in the exhaust NH3, since coatings with alkali and / or alkaline earth metal compounds oxidize no gaseous components , can in the invention
  • Exhaust after-treatment device advantageously be dispensed with a further metering device before the second SCR catalyst, so that advantageously only one metering device is required in the exhaust aftertreatment device according to the invention.
  • Particulate filter with alkali and / or alkaline earth compounds it is also conceivable that a hydrocarbon metering, a so-called HC doser for introducing unburned hydrocarbons into the exhaust gas, can be omitted and thus the cost of the exhaust aftertreatment device according to the invention can be further reduced.
  • a hydrocarbon metering a so-called HC doser for introducing unburned hydrocarbons into the exhaust gas
  • EGR exhaust gas recirculation
  • a control and / or regulating device for the exhaust gas aftertreatment device is provided in a drive device which periodically and / or at predetermined operating conditions for a defined
  • control and / or regulating device is designed as a shutdown device, by means of which a caused by the metering device introducing the reducing agent is temporarily deactivated in the exhaust gas.
  • An idea underlying the invention is the metering of the
  • Reducing agent which is in particular an aqueous urea solution
  • the passive Regenration is preferably carried out not continuously, but batchwise or discontinuously or periodically. It has proved to be particularly advantageous if the first SCR catalytic converter is the first downstream of the internal combustion engine, through which the exhaust gas can flow
  • the first SCR catalyst is the first to be flown by the exhaust gas of the internal combustion engine
  • Internal combustion engine arranged so that, based on the flow direction of the exhaust gas from the internal combustion engine to the first SCR catalyst between the first SCR catalytic converter of the internal combustion engine is arranged not exhaust gas from the exhaust gas exhaust gas treatment element for post-treating the exhaust gas of the internal combustion engine. This is compared to it
  • This refinement is based, in particular, on the knowledge that the exhaust gas cools off primarily through the flow through exhaust gas aftertreatment elements, since such exhaust aftertreatment elements always have a high heat capacity. Only subordinate is the cooling of the exhaust gas attributable to a founded herede, long distance. This means that the omission or omission of a particulate filter and / or an oxidation catalyst, in particular a DOC, in the exhaust gas flow direction before the first SCR catalyst not only one
  • Oxidation catalyst is also advantageous in that the exhaust gas on its way from the internal combustion engine to the first SCR catalyst must flow through no particulate filter and / or oxidation catalyst, so that caused by a particulate filter and / or oxidation catalyst, excessive cooling of the exhaust gas can be avoided.
  • the exhaust gas advantageously has a particularly high temperature when the first SCR catalytic converter is reached, so that high NO x conversion rates of the first SCR catalytic converter can be realized. It should be noted that a
  • Particle filter material has a higher heat capacity than a material of a DOC and also a particulate filter is usually designed larger.
  • Exhaust gas aftertreatment device is introduced in the flow direction before a particulate filter and a SCR / ASC catalyst. This can be the
  • Exhaust after-treatment device advantageously be introduced space-neutral in current production commercial vehicles.
  • Exhaust after-treatment device 26 advantageously space neutral in today's standard-utility vehicles can be displayed.
  • Exhaust aftertreatment device present in the first SCR catalyst also favors a good urea processing, so that the exhaust gas can be particularly de-entrained by means of the reducing agent. It is a very good one
  • the particulate filter is the second exhaust gas aftertreatment element which can flow through the exhaust gas after exit of the exhaust gas, so that no exhaust gas aftertreatment element through which the exhaust gas can pass is disposed between the particulate filter and the first SCR catalytic converter for after-treatment of the exhaust gas of the internal combustion engine ,
  • the second SCR catalytic converter is the exhaust gas aftertreatment element through which the exhaust gas can flow after the exhaust gas has exited the internal combustion engine, so that preferably no exhaust gas after-treatment element for after-treatment of the exhaust gas is between the second SCR catalytic converter and the particulate filter Internal combustion engine is arranged.
  • the first SCR catalyst has a smaller ammonia storage capacity than the second SCR catalyst.
  • V 2 0 5 has a comparable effect to a DOC and catalyzes an oxidation of NO to N0 2 , so that a passive regeneration of the particulate filter increases.
  • V 2 O s further advantageously has a low nitrous oxide selectivity (N 2 0 selectivity) at higher N0 2 presence.
  • V 2 0 5 advantageously has a lower NH 3 storage capacity, so that a faster filling of the vanadium SCR catalyst with NH 3 can be carried out after its NH 3 -Leerfahren and thus a faster conversion of nitrogen oxides. It is particularly advantageous to carry out the second SCR catalyst as copper SCR (Cu-SCR).
  • a Cu-SCR advantageously has a good low-temperature activity, good nitrogen oxide reduction rates even at low N0 2 / NOx ratios and a high NH 3 storage capacity, in particular a higher storage capacity for NH 3 as a vanadium-SCR catalyst, so that for an exhaust aftertreatment device according to the invention with a first SCR catalyst designed as a vanadium SCR and a second SCR catalyst designed as a CU-SCR in a N0 2 regeneration operation of the particulate filter, nitrogen oxide reduction with NH 3 in the second CU-SCR is particularly advantageous SCR catalyst can be done with the stored in the second SCR catalyst NH 3 .
  • a further refinement is characterized in that the first SCR catalytic converter has a first volume which can be flowed through by the exhaust gas, and the second SCR catalytic converter has a second volume through which the exhaust gas can pass
  • Volume is smaller than the second volume. This can be a special
  • an ammonia slip catalyst through which the exhaust gas can pass is arranged downstream of the second SCR catalytic converter.
  • ASC ammonia slip catalyst
  • the volume of the first SCR catalyst is a ratio to a total volume, formed from the volume of the second SCR catalyst and the volume of the ammonia slip catalyst, of from about 0.3 to 0.8.
  • Particle filter arranged a metering device, by means of which unburned
  • Hydrocarbons are introduced into the exhaust gas.
  • the unburned hydrocarbons can be introduced at one point into the exhaust gas, this point being arranged upstream of the particle filter.
  • the temperature of the exhaust gas can be increased according to need and effectively via the exothermic oxidation of HC at the first SCR catalyst, so that a particularly low-emission operation can be represented.
  • the metering device for introducing the unburned hydrocarbons into the exhaust gas is preferably arranged particularly close to the internal combustion engine, that is to say near the combustion engine, in order, for example, to burn it unburnt
  • the invention also includes a drive device for a motor vehicle, in particular a commercial vehicle, with an internal combustion engine and with a
  • the invention includes a method for operating a
  • an exhaust gas temperature increase is brought about by at least one internal combustion engine-related measure based on the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine is also referred to as an internal combustion engine
  • the measure is also as an internal combustion engine measure or as
  • the temperature of the exhaust gas can be increased specifically, so that, for example, a particularly effective active 0 2 -based regeneration of the particulate filter can be performed.
  • the internal combustion engine intervention is, for example, the reduction of an air mass flow, which in at least one combustion chamber, in particular in the form of a cylinder of the
  • the air mass flow is reduced for example by throttling.
  • the internal combustion engine intervention may further include retarding a main fuel injection. Alternatively or additionally, it is conceivable that the internal combustion engine intervention, the implementation of
  • downstream Nacheinspritzmaschine includes, which burn only partially in the combustion chamber or in the internal combustion engine.
  • the introduction of reducing agent into the exhaust gas is switched off periodically at predetermined operating conditions for a defined period of time or is omitted.
  • an addition of the reducing agent is switched off periodically under certain operating conditions for a defined period of time.
  • Particulate filter necessary N0 2 is not already degraded in the first SCR catalyst of the exhaust gas aftertreatment device according to the invention.
  • the metering of the reducing agent that is, the addition of the reducing agent to break for a certain period of time, since the second SCR catalyst has a certain storage capacity, or memory capacity with respect to NH 3 having.
  • a certain amount of ammonia NH 3
  • the absolute NH 3 storage capacity of the second SCR catalyst with respect to NH 3 is in the inventive
  • Exhaust after-treatment device greater than that of the first SCR catalyst. This is intended to provide a particularly advantageous operation of the
  • the different NH 3 storage capacities of the SCR catalysts can be realized, for example, such that the SCR catalysts are dimensioned differently, as described above, wherein the first SCR catalyst or its first volume is smaller than the second SCR catalyst or its second volume and / or by providing a first and a second SCR with different specific NH 3 storage capacities.
  • the coating of the particulate filter with alkali and / or alkaline earth compounds is characterized in that the coating selectively catalyzes the oxidation of soot.
  • the coating selectively catalyzes the oxidation of soot.
  • Coatings of particulate filters in particular diesel particulate filters, has the
  • exhaust gas aftertreatment device no catalytic activity with respect to gas-to-gas reactions, including, for example, the reaction of NO to N0 2 , CO to C0 2 , HC to C0 2 + H 2 0 and the NH 3 oxidation fall.
  • FIG. 1 is a schematic side view of an exhaust aftertreatment device for an internal combustion engine of a motor vehicle, with a first of the exhaust gas of the internal combustion engine can flow through the first SCR catalytic converter, with a traversed by the exhaust particulate filter for retaining soot particles from the exhaust gas and with a downstream of the particulate filter, of the exhaust flow through the second SCR catalyst, wherein the first SCR catalyst upstream of the
  • Particulate filter is arranged and wherein the particulate filter with the
  • Coating is provided with alkali metal silicates
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a method of operating the
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an exhaust gas aftertreatment device for illustrating a possible integration into a commercial or heavy goods vehicle
  • Fig. 5 is a schematic representation of an exhaust aftertreatment device to illustrate a further possibility of integration into a commercial or truck.
  • Fig. 1 shows a drive device 10 for a motor vehicle, in particular a
  • the drive device 10 includes an internal combustion engine 12, which in the present case is designed as a reciprocating internal combustion engine.
  • the commercial vehicle by means of the internal combustion engine 12 can be driven.
  • the internal combustion engine 12 is designed as a diesel engine.
  • Internal combustion engine 12 includes a crankcase 14 through which a plurality of combustion chambers in the form of cylinders 16 of the internal combustion engine 12 is formed.
  • the cylinders 16 are supplied with air and fuel, in particular liquid fuel, so that a fuel-air mixture is produced in the respective cylinder 6.
  • This fuel-air mixture is burned, resulting in exhaust gas of the internal combustion engine 2 results.
  • the exhaust gas from the cylinders 16 is collected in the exhaust manifold 22 and then discharged from the internal combustion engine 12.
  • the drive device 10 further comprises an exhaust system 18, which can be flowed through by the exhaust gas from the cylinders 16.
  • the exhaust system 8 is also referred to as the exhaust tract and comprises one of the exhaust gas through ström bare piping 20, which is also referred to as exhaust piping.
  • the exhaust gas is discharged from the internal combustion engine 12.
  • the internal combustion engine 12 in this case has a so-called outlet 24, via which the exhaust gas from the
  • Outlet 24 is also referred to as an engine outlet or exhaust or engine exhaust and is disposed on an exhaust side of internal combustion engine 12.
  • the exhaust system 18 includes a generally designated 26
  • the exhaust system 18 can be traversed by the exhaust gas, wherein the flow or the flow of the exhaust gas is illustrated by the exhaust system 18 in Fig. 1 by directional arrows 28. Based on the flow direction of the exhaust gas through the exhaust system 18 is the
  • Exhaust after-treatment device 26 downstream of the outlet 24 is arranged downstream of the outlet 24. Since the exhaust gas upstream of the exhaust aftertreatment device 26 and downstream of the outlet 24 has not yet been aftertreated by means of the exhaust aftertreatment device 26, the emissions of the internal combustion engine 12 in a region between the exit 24 and before, that is upstream on the exhaust aftertreatment device 26 are referred to as raw emissions.
  • the exhaust system 18 comprises at least a first exhaust pipe 30 through which the exhaust gas can flow and an adjoining second exhaust pipe 32, through which the exhaust gas can flow, which encloses an angle of approximately 45 degrees with the exhaust pipe 30.
  • the exhaust pipes 30 and 32 are arranged downstream of the outlet 24, in particular downstream of the exhaust manifold 22.
  • the exhaust gas aftertreatment device 26 comprises a first SCR catalytic converter 34, which is arranged as the first exhaust gas aftertreatment element through which the exhaust gas can flow, downstream of the outlet 24 and thus downstream of the exhaust gas from the internal combustion engine 12. This means that the first SCR catalytic converter 34, the first downstream of the internal combustion engine 12, of the exhaust gas flow through
  • Exhaust gas aftertreatment element is such that between the first SCR catalytic converter 34 and the internal combustion engine 12, in particular the outlet 24, no exhaust gas aftertreatment element, through which the exhaust gas is aftertreated, is arranged.
  • the exhaust gas aftertreatment device 26 further comprises a particle filter 36 which, based on the flow direction of the exhaust gas through the exhaust system 18th
  • the particulate filter 36 is traversed by the exhaust gas bar, wherein the particulate filter 36 is formed for the retention of soot particles from the exhaust gas. This means that by means of the particulate filter 36 soot particles contained in the exhaust gas are retained from the exhaust gas. After discharge of the exhaust gas from the internal combustion engine 12 soot particles are contained in the exhaust gas, which are at least partially filtered by means of the particulate filter 36 from the exhaust gas.
  • the soot particles remain on the particulate filter 36, in particular in its interior, hang or settle on the particulate filter 36, in particular on its interior, so that the particulate filter 36 is increasingly added with soot particles with increasing service life.
  • This clogging is also referred to as loading or loading of the particulate filter 36.
  • the particulate filter 36 is also referred to as a diesel particulate filter (DPF).
  • DPF diesel particulate filter
  • Exhaust gas aftertreatment device 26 a second SCR catalytic converter 38 through which the exhaust gas can pass, which is arranged downstream of the first SCR catalytic converter 34 and downstream of the particle filter 36.
  • the particulate filter 36 which downstream of the first SCR catalyst 34 is provided with a coating with alkali metal-containing silicates, which catalyzes an oxidation of the particulate filter 36 retained soot particles.
  • the coating of the particulate filter 36 catalyzes soot oxidation, that is, the oxidation of the soot particles retained by the particulate filter 36 and thus in the particulate filter 36, particularly efficiently and effectively.
  • Particle filter 36 is removed, whereby the load is at least reduced.
  • Reducing the loading of the particulate filter 36 is also called regeneration or
  • Regeneration of the particulate filter 36 denotes.
  • the respective SCR catalytic converter 34 or 38 serves to de-stiffen the
  • Exhaust gas Under the Entsticken the exhaust gas is to be understood that contained in the exhaust gas nitrogen oxides (NO x ) are at least partially removed from the exhaust gas, so that the nitrogen oxides are reduced.
  • the respective SCR catalytic converter 34 or 38 catalyzes the so-called selective catalytic reduction (SCR), in which the nitrogen oxides contained in the exhaust gas react with ammonia (NH 3 ) to form water and nitrogen.
  • SCR selective catalytic reduction
  • the intended for the SCR ammonia is introduced, for example via a reducing agent in the exhaust gas. This includes the
  • Exhaust gas aftertreatment device 26 a metering device 40 arranged upstream of the first SCR catalytic converter 34, by means of which the reducing agent can be introduced, in particular injectable, for de-stoking the exhaust gas into the exhaust gas.
  • the reducing agent can be introduced into the exhaust gas at a location by means of the metering device 40, this point being arranged upstream of the first SCR catalytic converter 34 by the exhaust gas aftertreatment device 26 with reference to the flow direction of the exhaust gas.
  • the location is also referred to as a feed point.
  • a mixing device 42 is provided, which causes a mixing of the introduced into the exhaust reducing agent with the exhaust gas
  • the reducing agent is an aqueous urea solution (HWL), so that in the respective SCR catalyst 34 or 38 NH 3 which is generated from the reducing agent can react with nitrogen oxides contained in the exhaust gas to water and nitrogen.
  • HWL aqueous urea solution
  • the particle filter 36 is the second exhaust gas aftertreatment element which can be flowed through by the exhaust gas after discharge of the exhaust gas from the internal combustion engine 12, so that between the first SCR catalytic converter 34 and the particle filter 36 can not be flowed through by the exhaust gas
  • Exhaust after-treatment element is arranged for post-treatment of the exhaust gas. Furthermore, the second SCR catalytic converter 38 is the third exhaust gas aftertreatment element which can be flowed through by the exhaust gas after the exhaust gas has exited the exhaust gas
  • an ammonia slip catalyst 44 is arranged downstream of the SCR catalytic converter 38, which is also referred to as ASC and, for example, may additionally also have the function of an SCR catalytic converter, so that the ammonia slip catalytic converter 44 is designated, for example, as SCR / ASC becomes.
  • the first SCR catalytic converter 34 is smaller than the second SCR catalytic converter 38.
  • the ASC ammonia slip catalyst 44
  • the ratio of the first volume to the sum of the second and third volumes is in the range of 0.32 to 0.77 inclusive.
  • the proportion of the first volume in a total SCR volume is then in a range of between 20 percent and 50 percent inclusive.
  • the total SCR volume is the sum of the volumes of the components that catalyze the SCR.
  • two functional or active principles can be used for the regeneration of the particulate filter 36.
  • a passive, N0 2 -basêt regeneration can be performed, this passive regeneration is already feasible with only small N0 2 quantities and with a particularly high reaction rate, since the reaction of soot with N0 2 in the particulate filter 36 is a solid reaction which is catalyzed by the coating.
  • an active 0 2 -based regeneration that is a 0 2 regeneration, can already be carried out at low temperatures. The active regeneration may be initiated, for example, in addition to passive regeneration, if necessary.
  • a first period during which the passive Regeneration is, for example, in a range of 5 minutes to 30 minutes inclusive, with the passive regeneration being performed cyclically during operation, for example, at intervals of 10 minutes to 10 hours.
  • a second period of time during which the active regeneration is performed is in a range of 15 minutes to and including 60 minutes inclusive, and is set at an interval of more than, for example
  • the first period of time is also referred to as the first regeneration period and the second period of time as the second regeneration period.
  • parameters are mentioned which trigger or favor the passive regeneration:
  • Minimum soot amount of, for example, 2 grams per liter of filter volume
  • Model-based soot load quantities (soot quantity trigger)
  • model-based NH 3 storage amount in the second SCR catalyst > 80 percent (NH 3 amount trigger).
  • the level of the SCR catalyst 38 is critical, that is, for example, the level is less than 50 percent from the optimum
  • the NO x conversion reaches a critical threshold, which is used, for example, for on-board diagnostics (OBD).
  • OBD on-board diagnostics
  • the particulate filter 36 By using the particulate filter 36 with the coating described, a particularly advantageous denitrification of the exhaust gas can be realized even at low temperatures and in particular in real driving, so that even with a cold start of the internal combustion engine 12, the nitrogen oxide emissions can be kept low.
  • the particle filter 36 By means of the active regeneration, the particle filter 36 can be effectively carried out even at low temperatures of less than or equal to 450 degrees Celsius.
  • the SCR catalyst 34 it is possible to use a vanadium-SCR catalyst so that an exotherm for DPF regeneration can be generated therefrom.
  • Oxidation catalyst in particular a diesel oxidation catalyst (DOC), are dispensed with, so that the number of parts and the costs are kept low. Further, excessive cooling of the exhaust gas caused by an oxidation catalyst and a diesel particulate filter can thereby be avoided so that the exhaust gas has an advantageous high temperature upon reaching the first SCR catalyst 34.
  • DOC diesel oxidation catalyst
  • Fig. 2 shows a diagram, on the basis of which a method for operating the
  • the diagram has an abscissa 46, on which the time, in particular the seconds, is plotted. Furthermore, the diagram has an ordinate 48, on which the temperature, in particular in degrees Celsius, is plotted.
  • a curve 50 is entered, which illustrates the temperature of the SCR catalyst 34. In other words, the curve 50 is a time course of the temperature of the SCR catalyst 34.
  • a line 52 illustrates a state of the metering device 40. For registered in the line 52 blocks 54 and 56 is the
  • Dosing device 40 is activated, so that the blocks 54 and 56 illustrate respective periods during which the reducing agent by means of the activated
  • Dosing device 40 introduced into the exhaust gas, in particular injected, is.
  • HC doses further metering device is provided, which is also referred to as HC doses.
  • the HC doser is upstream of the first SCR catalyst 34 and in close proximity to the first
  • the HC doser is designed to introduce unburned hydrocarbons (HC) at a further feed point into the exhaust gas, in particular to inject. This further feed point is preferably disposed upstream of the first SCR catalyst 34.
  • the HC doser is designed to introduce fuel and thus unburned hydrocarbons into the exhaust gas.
  • a line 58 of the diagram illustrates a state of the HC doser.
  • a block 60 entered in line 58 illustrates a time period during which the HC doser is activated such that during the period of time illustrated by block 60, unburned hydrocarbons (HC) are introduced, in particular injected, by means of the activated HC doser ,
  • a line 62 of the diagram illustrates the raw nitrogen oxide emissions of the internal combustion engine 12.
  • blocks 64, 66 and 68 registered in the line 62 illustrate
  • Combustion internal combustion engine measures for nitrogen oxide reduction Since the internal combustion engine 12 is also referred to as an internal combustion engine, the internal combustion engine internal measures are also referred to as internal combustion engine measures or VM measures.
  • blocks 64, 66, and 68 illustrate respective time periods during which VM actions, that is
  • a VM measure is, for example, an adjustment of an injection time point after a delay. Furthermore, the VM measure can be a particularly high exhaust gas recirculation rate. Another VM action is
  • Air mass flow which is reduced for example by throttling. This takes place, for example, by means of a throttle valve arranged in an intake tract through which air can flow.
  • a throttle valve arranged in an intake tract through which air can flow.
  • Another VM measure may be, for example, that the internal combustion engine 12 is driven or operated at higher loads.
  • a block 70 entered in the diagram illustrates a start, particularly cold start, of the internal combustion engine 12. During this cold start, at least one VM action is performed, as illustrated by block 64.
  • a block 72 entered in the diagram illustrates a heating phase during which - as can be seen at block 54 - the metering device 40 is activated. This is followed by a consumption-optimal phase, which is illustrated by a block 74.
  • a block 76 illustrates operation of the internal combustion engine 12 at low loads, wherein at least one VM action illustrated in block 66 is performed.
  • the metering device 40 is activated (block 56).
  • a consumption optimal phase illustrated by a block 78 during which, for example, the HC doser is activated (block 60).
  • HC doser is activated only when the metering device 40 is deactivated, that is, if the
  • Introducing the reducing agent is switched off in the exhaust gas. If the metering device 40 is activated, reducing agent is introduced into the exhaust gas by means of the metering device 40. If the metering device 40 is deactivated, then a remains through the
  • Metering device 40 causes introduction of reducing agent in the exhaust gas. If the HC doser is activated, unburned hydrocarbons (HC) are introduced into the exhaust gas by means of the HC doser. If the HC doser is deactivated, an introduction of HC into the exhaust gas caused by the HC doser is prevented.
  • HC doser is activated, unburned hydrocarbons (HC) are introduced into the exhaust gas by means of the HC doser. If the HC doser is deactivated, an introduction of HC into the exhaust gas caused by the HC doser is prevented.
  • a double arrow 80 illustrates passive regeneration
  • Double arrow 82 the active regeneration or the previously described
  • FIG. 3 shows a diagram 83 which shows the advantages of coating the particle filter with alkali metal-containing silicates compared to a conventional noble metal-containing
  • Coating a particle filter shows.
  • the graph 83 has an abscissa 84 on which the temperature is plotted in degrees Celsius [° C]. Plotted on the ordinate 86 of the graph 83 is a regeneration rate R soot .
  • the regeneration rate R soot is a measure of an amount of soot that can be removed within a period of time from the particulate filter 36, that is, burned down.
  • a plot 88 illustrates passive regeneration of the particulate filter 36 versus temperature, with a plot 90 showing N0 2 -based regeneration of a conventional particulate filter versus temperature.
  • a trace 92 illustrates the active regeneration of the particulate filter 36, wherein a trace 94 shows a 0 2 -based regeneration of a conventional particulate filter. It can be seen that active regeneration through the use of the described
  • Particulate filter can be actively regenerated only at about 600 degrees Celsius. Since the particle filter 36 can be actively regenerated even at 450 degrees Celsius, thermal damage of the exhaust aftertreatment device 24 can be avoided.
  • the particle filter 36 can be effectively regenerated by means of passive regeneration, since the particle filter 36 has the described coating.
  • a further advantage of the use of the coating is that oxidation of NH 3 can be avoided since the coating does not catalyze gas-gas reactions. Since the exhaust gas does not undergo DOC in which NH 3 could oxidize, the
  • Dosing device 40 are arranged particularly close to the outlet 40 of the internal combustion engine. Advantages are the increased temperature with dosage of the
  • the exhaust gas does not cool excessively by the close-coupled arrangement of the first SCR before the first SCR is achieved, so that high NOx conversions can be achieved and further crystallization of the reducing agent can be avoided.
  • Fig. 4 shows a preferred way of integrating the invention
  • Exhaust gas aftertreatment device 26 in an exhaust gas box 96 a so-called one-box, as it is already provided in today's serial commercial vehicles or series trucks, with the first SCR catalyst 34, the particulate filter 36, the second SCR catalyst 38 and the ASC 44
  • the first SCR catalyst 34 is accommodated in a space of an attributable, provided in current production vehicles DOC in the Abtgasbox 96, so that the inventive
  • Exhaust after-treatment device 26 advantageously space neutral in today's serial commercial vehicles or series trucks can be displayed.
  • an optionally provided hydrocarbon metering a so-called HC meter for introducing unburned hydrocarbons, and an exhaust-gas turbocharger.
  • the exhaust gas turbocharger is advantageous combustion engine close and in
  • Fig. 5 shows a further possibility of integration of the invention
  • the additional combustion engine near exhaust box 98 of the first SCR catalyst is housed.
  • the particulate filter 36, the second SCR catalytic converter 38 and the ASC 44 are accommodated in the exhaust gas box 96.
  • the exhaust gas box 96 in Fig. 5 is a so-called one-box, as it is already provided in today's serial commercial vehicles or series trucks.
  • the DOC in the exhaust gas box 96 is omitted.
  • Low-load operation of the internal combustion engine 12 can be achieved.
  • an optionally provided hydrocarbon metering a so-called HC meter for introducing unburned hydrocarbons, and an exhaust-gas turbocharger.
  • the exhaust-gas turbocharger is advantageously provided close to the combustion engine and in the exhaust-gas flow direction downstream of the exhaust manifold, the HC-dosing device advantageously near the reducing agent metering device 40.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungseinrichtung (26) für eine Verbrennungskraftmaschine (12), insbesondere eines Kraftwagens, mit wenigstens einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12) durchströmbaren SCR- Katalysator (34), und mit wenigstens einem von dem Abgas durchströmbaren Partikelfilter (36) zum Rückhalten von Rußpartikeln aus dem Abgas, wobei der stromab des SCR- Katalysators (34) angeordnete Partikelfilter (36) mit einer schwermetall- und edelmetallfreien und eine Oxidation der im Partikelfilter (36) rückgehaltenen Rußpartikel katalysierenden Beschichtung versehen ist, wobei stromab des Partikelfilters (36) ein von dem Abgas durchströmbarer, zweiter SCR-Katalysator (38) angeordnet ist.

Description

Abgasnachbehandlungseinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine sowie Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung mit einer solchen
Abgasnachbehandlungseinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungseinrichtung für eine
Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftwagens, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 , eine Antriebseinrichtung mit einer solchen
Abgasnachbehandlungseinrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Antriebseinrichtung.
Abgasnachbehandlungseinrichtungen für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Kraftwagen, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik und insbesondere aus dem Serienfahrzeugbau bereits hinlänglich bekannt. Eine solche
Abgasnachbehandlungseinrichtung kommt beispielsweise in einer Antriebseinrichtung zum Einsatz, welche die Abgasnachbehandlungseinrichtung sowie eine
Verbrennungskraftmaschine umfasst. Die Antriebseinrichtung ist beispielsweise eine Komponente eines Kraftwagens, welcher mittels der Antriebseinrichtung, insbesondere mittels der Verbrennungskraftmaschine, antreibbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine ist ein Verbrennungsmotor.
Die Verbrennungskraftmaschine weist wenigstens einen Brennraum insbesondere in Form eines Zylinders auf, welchem während eines gefeuerten Betriebs der
Verbrennungskraftmaschine Kraftstoff, insbesondere flüssiger Kraftstoff, und Luft zugeführt wird. Dadurch entsteht in dem Brennraum ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches verbrannt wird. Daraus resultiert Abgas der Verbrennungskraftmaschine, wobei das Abgas aus wenigstens einem Auslass der Verbrennungskraftmaschine und somit aus der Verbrennungskraftmaschine selbst ausströmen kann. Beispielsweise mittels einer Abgasverrohrung wird das Abgas zu der
Abgasnachbehandlungseinrichtung geführt, sodass das Abgas der
Verbrennungskraftmaschine mittels der Abgasnachbehandlungseinrichtung
nachbehandelt werden kann. Hierzu umfasst die Abgasnachbehandlungseinrichtung wenigstens einen von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren SCR-Katalysator, mittels welchem eine selektive katalytische Reduktion (SCR) bewirkt beziehungsweise unterstützt wird. Dies bedeutet, dass der SCR-Katalysator die SCR katalysiert. Mittels der selektiven katalytischen Reduktion werden im Abgas enthaltene Stickoxide (NOx) reduziert, das heißt zumindest teilweise aus dem Abgas entfernt. Im Rahmen der SCR reagieren im Abgas enthaltene Stickoxide insbesondere mit
Bestandteilen eines in das Abgas eingebrachten Reduktionsmittels oder mit
Bestandteilen, die sich aus dem Reduktionsmittel bilden, zu Stickstoff und Wasser.
Nachfolgend wird ohne Einschränkung der Allgemeinheit davon ausgegangen, dass es sich bei dem im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzten Reduktionsmittel um eine wässrige Harnstofflösung handelt. Aus der wässrigen Harnstofflösung bildet sich das in die SCR bei der Reduktion von Stickoxiden wirksame Ammoniak (NH3).
Die Abgasnachbehandlungseinrichtung umfasst ferner wenigstens einen von dem Abgas durchströmbaren Partikelfilter zum Rückhalten von Rußpartikeln aus dem Abgas. Mittels des Partikelfilters wird das Abgas gefiltert, sodass zumindest ein Teil der Rußpartikel mittels des Partikelfilters aus dem Abgas gefiltert werden. Ist die
Verbrennungskraftmaschine beispielsweise als Dieselmotor ausgebildet, so wird der Partikelfilter üblicherweise auch als Dieselpartikelfilter (DPF) bezeichnet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abgasnachbehandlungseinrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass sich ein besonders
emissionsgünstiger Betrieb realisieren lässt.
Diese Aufgabe wird durch eine Abgasnachbehandlungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen
Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben
Um eine Abgasnachbehandlungseinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders emissionsgünstiger Betrieb realisierbar ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der in
Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgasnachbehandlungseinrichtung stromab des ersten SCR-Katalysators angeordnete Partikelfilter mit einer schwermetall- und edelmetallfreien und eine Oxidation der im Partikelfilter rückgehaltenen Rußpartikel katalysierenden Beschichtung versehen ist, wobei stromab des Partikelfilters ein von dem Abgas durch ström barer, zweiter SCR-Katalysator angeordnet ist. Die in der
erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung vorgesehene schwermetall- und edelmetallfreie Beschichtung des Partikelfilters weist vorteilhaft keine umweltbelastenden Schwermetalle und keine anderen giftigen oder umweltschädlichen Stoffe auf.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die schwermetall- und edelmetallfreie
Beschichtung des Partikelfilters Alkali- und/oder Erdalkaliverbindungen auf. Besonders bevorzugt weist die die schwermetall- und edelmetallfreie Beschichtung des Partikelfilters alkalimetallhaltige Silikate auf, wobei in einer Silikatstruktur feinst verteilt Alkalimetalle, insbesondere Kalium als aktive Komponente der katalytischen Beschichtung
eingebunden sind. Partikelfilter mit einer Beschichtung gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung können vorteilhaft Feststoffreaktionen mit Rußpartikeln katalysieren.
Beschichtungen des Partikelfilters gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung sind auf verschiedenen Substrate, wie beispielsweise SIC oder Cordierit aufbringbar.
Beschichtungen des Partikelfilters gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung
ermöglichen eine auf Stickstoffdioxid (N02) basierende Regeneration des Partikelfilters schon bei kleinen Stickstoffdioxid-Mengen und/oder bereits bei geringeren Temperaturen, da die mittels der Beschichtung katalysierte Reaktion von Ruß beziehungsweise von den Rußpartikeln mit Stickstoffdioxid im Partikelfilter eine Feststoffreaktion ist, die von der Beschichtung katalysiert, das heißt unterstützt beziehungsweise bewirkt wird. Diese Reaktion kann mit einer besonders hohen Reaktionsrate erfolgen. Bei gleichen
Temperaturbedingungen betrachtet kann in einem Partikelfilter mit einer Beschichtung gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung die Reaktion von Ruß mit Stickstoffdioxid bereits bei kleineren Stickstoffdioxid-Mengen und mit höheren Reaktionsraten erfolgen als in einem Partikelfilter mit einer edelmetallhaltigen Beschichtung. Auch die Sauerstoff (02)-basierte Rußoxidation wird durch eine Beschichtung gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung katalysiert und erfolgt an solchen Beschichtungen bereits bei deutlich niedrigeren Temperaturen als in Partikelfiltern mit Edelmetallbeschichtungen. Daher wird auch unter N02-Ausschluss, insbesondere während einer Dosierung von wässriger Harnstofflösung, an einer Beschichtung gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung bei diesen niedrigeren Temperaturen mit 02 bereits Ruß zu Kohlendioxid (C02) und
Wasserdampf (H20) oxidiert.
Unter einer Regeneration des Partikelfilters ist dabei zu verstehen, dass im Rahmen der Regeneration zumindest ein Teil der im Partikelfilter rückgehaltenen Rußpartikel aus dem Partikelfilter entfernt wird. Mit zunehmender Betriebsdauer und somit mit zunehmendem Rückhalten von Rußpartikeln aus dem Abgas wird der Partikelfilter zunehmend mit Rußpartikeln zugesetzt. Dieses Zusetzen wird auch als Beladen oder Beladung des Partikelfilters bezeichnet. Im Rahmen einer Regeneration wird die Beladung des
Partikelfilters dann zumindest reduziert, indem die Rußpartikel oxidiert werden. Dies bedeutet, dass der Partikelfilter im Rahmen der Regeneration beispielsweise mit N02 oxidiert oder mit 02 freigebrannt wird. Die Beschichtung des Partikelfilters hat die
Funktion, die Oxidation der Rußpartikel zu katalysieren und eine Beschichtung des Partikelfilters mit Alkali- und/oder Erdalkaliverbindungen ermöglicht im Vergleich zu Partikelfiltern mit einer edelmetallhaltigen katalytischen Beschichtung eine N02-basierte Regeneration des Partikelfilters bei wesentlich kleineren N02-Mengen und mit einer höheren Reaktionsrate.
Es wurde überraschend gefunden, dass die Beschichtung des Partikelfilters mit Alkali- und/oder Erdalkaliverbindungen die Regeneration des Partikelfilters mit Hilfe von N02 besonders gut katalysiert, sodass eine solche Regenration auf Basis von N02 bereits bei geringen N02-Eingangskonzentrationen, wie die N02-Rohemission des
Verbrennungsmotors, zu einer ausreichenden Rußabbrandrate führt und dass es nicht notwendig ist, in Partikelfiltern mit einer solchen Beschichtung eine N02 basierte
Regeneration kontinuierlich durchzuführen, sondern dass eine zeitweise durchgeführte Regeneration ausreichend ist. Die Regenration mit Hilfe von N02 wird auch als passive Regenration bezeichnet.
Da in Partikelfiltern mit einer Beschichtung mit Alkali- und/oder Erdalkaliverbindungen eine 02-basierte Regeneration des Partikelfilters bereits bei deutlich niedrigeren
Temperaturen erfolgt als in Partikelfiltern mit Edelmetallbeschichtungen, wird die 02- basierte Regeneration in Partikelfiltern mit einer Beschichtung mit Alkali- und/oder Erdalkaliverbindungen bereits bei Temperaturen von in etwa 300 bis 350 Grad Celsius die N02-basierte Regeneration unterstützen. Die 02-basierte Rußregeneration kann in dem Temperaturfenster von in etwa 300 bis 350 Grad Celsius auch die N02-basierte
Regeneration teilweise ersetzen, falls die N02-basierte Regeneration aufgrund geringer N02-Konzentrationen eingeschränkt ist oder ganz entfällt, wie dies der Fall ist, wenn die im Abgas vorhandene gesamte Menge an N02 am vorgeschalteten ersten SCR- Katalysator in der SCR-Reaktion verbraucht wird.. In Partikelfiltern mit bekannten
Edelmetallbeschichtungen liegen die 02-basierten Rußoxidationsraten in einem
Temperaturbereich von in etwa 300 bis 350 Grad Celsius deutlich niedriger als in Partikelfiltern mit einer Beschichtung mit Alkali- und/oder Erdalkaliverbindungen und leisten daher keinen Beitrag zum Rußabbrand.
Dadurch, dass die 02-basierte Regeneration in Partikelfiltern mit einer Beschichtung mit Alkali- und/oder Erdalkaliverbindungen bereits in einem Temperaturbereich von in etwa 300 bis 350 Grad Celsius erfolgen kann, kann eine 02-basierte Regeneration des
Partikelfilters genutzt werden, ohne dass hierbei der Nachteil von unerwünschten temperaturbedingten Beschädigungen von Abgasnachbehandlungselementen auftritt, zu welchen es bei den hohen Temperaturen von 02-basierten Regenerationen von herkömmlichen edelmetallhaltigen Partikelfiltern kommen kann.
Eine weitere Eigenschaft der in der erfindungsgemäßen
Abgasnachbehandlungseinrichtung gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung eingesetzten Beschichtung ist, dass diese Beschichtung und somit der Partikelfilter insgesamt keine katalytische Aktivität bezüglich Gas-Gas-Reaktionen aufweist. Dies bedeutet, dass die chemische Reaktion von Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (N02) nicht durch diese Beschichtung katalysiert wird. Dieser Mangel an katalytischer Aktivität bezüglich Gas-Gas-Reaktionen ist für die erfindungsgemäße
Abgasnachbehandlungseinrichtung von hoher Bedeutung, da dadurch das
Reduktionsmitteldosiersystem verbrennungsmotornah, beispielsweise direkt nach einem Turbolader positioniert werden kann. Gegebenenfalls unvollständig umgesetztes
Reduktionsmittel oder vom ersten SCR-Katalysator desorbiertes NH3 wird an der
Beschichtung des Partikelfilters nicht zu NO oder N20 oxidiert und kann am zweiten SCR- Katalysator zur NOx-Reduktion weiterverwendet werden. Es ist kein Ammoniak- Sperrkatalysator (ASC) nach dem ersten SCR-Katalysator und keine zweite
Reduktionsmitteldosierposition vor dem zweiten SCR-Katalysator erforderlich. Das spart Kosten und verringert die Komplexität der erfindungsgemäßen
Abgasnachbehandlungseinrichtung. Außerdem kann der Partikelfilter mit einer
Beschichtung mit Alkali- und/oder Erdalkaliverbindungen zur Verbesserung der
Harnstoffaufbereitung, insbesondere zu einer Gleichverteilung des Harnstoffs und einer Durchmischung mit dem Abgas genutzt werden.
Der Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass insbesondere nach einem Start, insbesondere nach einem Kaltstart, der Verbrennungskraftmaschine sowie nach einem Fahrzeugbetrieb im Niedriglastbereich, insbesondere nach einem
Leerlaufbetrieb, das heißt auch nach einem Segelbetrieb, bei welchem die
Verbrennungskraftmaschine in ihrem Leerlaufbetrieb ist, sowie nach Ampelwartezeiten, üblicherweise hohe Stickoxid-Emissionen entstehen können, da in diesen Fahrzeugbetriebszuständen die Katalysatoren und Filter der
Abgasnachbehandlungseinrichtung auskühlen und nach diesen
Fahrzeugbetriebszuständen so kalt sind, dass in den darauffolgenden Anfahrvorgängen oder Beschleunigungsvorgängen, bei welchen sehr hohe Abgasemissionen entstehen, die Katalysatoren und Filter erst wieder auf Betriebstemperatur gebracht werden müssen.
Eine Auskühlung von Katalysatoren und Filter der Abgasnachbehandlungseinrichtung nach solchen Niedriglastbetriebszuständen des Verbrennungsmotors fällt insbesondere bei Kraftwagen in Form von Nutzkraftwagen oder Lastkraftwagen stärker aus mit dementsprechend höheren Abgasemissionen als bei Personenkraftwagen, da in
Nutzkraftwagen oder Lastkraftwagen bauraumbedingt im Vergleich zu
Personenkraftwagen ein vergleichsweise großer Abstand mit einer damit verbundenen großen Wegstrecke zwischen einem Verbrennungsmotor und einer
Abgasnachbehandlungseinrichtung besteht, wodurch in Nutzkraftwagen oder
Lastkraftwagen höhere thermische Verluste entstehen, als in Personenkraftwagen.
Bei einer herkömmlichen Abgasnachbehandlungseinrichtung wird das Einbringen von Reduktionsmittel in das Abgas bei den oben genannten Betriebsbedingungen, das heißt bei und für eine Aufheizphase nach einem Start, insbesondere Kaltstart, und im sowie für eine Aufheizphase nach einem Niedriglastbetrieb abgeschaltet, da bei diesen
Betriebsbedingungen das Abgas eine nur sehr geringe Temperatur aufweist. Dabei wird das Einbringen des Reduktionsmittels abgeschaltet, damit es nicht zu
Auskristallisierungen des Reduktionsmittels kommt. Das Einbringen des
Reduktionsmittels wird üblicherweise erst eingeschaltet beziehungsweise durchgeführt, wenn ein SCR-Katalysator, in welchem das Reduktionsmittel umgesetzt werden soll, eine Temperatur aufweist, welche größer als 180 Grad Celsius ist. Das Abschalten des Einbringens des Reduktionsmittels hat während der genannten Betriebsbedingungen hohe Stickoxid-Emissionen zur Folge, falls keine entsprechenden Gegenmaßnahmen getroffen sind.
Durch den Einsatz des Partikelfilters mit der Beschichtung gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung sowie durch den Einsatz des zweiten SCR-Katalysators können auch bei den beschriebenen Anfahrvorgängen oder Beschleunigungsvorgängen nach einer Startphase oder einem Niedriglastbetrieb des Verbrennungsmotors übermäßige
Stickoxid-Emissionen vermieden werden. Durch die Anordnung des ersten SCR- Katalysators ganz vorne in der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung vor dem Partikelfilter wird dieser erste SCR-Katalysator nach einem Kaltstart oder nach einem Niedriglastbetrieb des Verbrennungsmotors schneller erwärmt, da eine zusätzliche Temperaturabsenkung vor Eintritt in den ersten SCR-Katalysator bedingt durch eine hohe Wärmekapazität eines in konventionellen Abgasnachbehandlungseinrichtungen vorhandenen Partikelfilters in der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung entfällt, so dass in der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung bereits vergleichsweise schneller nach einem Kaltstart oder einem Niedriglastbetrieb des
Verbrennungsmotors Reduktionsmittel dosiert werden kann und Stickoxide damit schneller nach einem Kaltstart oder einem Niedriglastbetrieb des Verbrennungsmotors umgesetzt werden können. Dadurch können die Stickoxid-Emissionen mit einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung weiter gesenkt werden. Ferner ist es möglich, im Vergleich zu herkömmlichen Abgasnachbehandlungseinrichtungen auf einen Oxidationskatalysator, insbesondere einen DOC, zu verzichten, welcher eine weitere Temperaturabsenkung aufgrund seiner Wärmekapazität bewirken würde, sodass sich ein noch emissionsgünstigerer Betrieb mit der erfindungsgemäßen
Abgasnachbehandlungseinrichtung erzielen lässt. Zudem ist durch den Entfall eines Oxidationskatalysators eine besonders kosten- und gewichtsgünstige
Abgasnachbehandlungseinrichtung realisierbar. Eine DOC-Anwendung führt zu hohen N02-Anteilen bei Leerlaufbetrieb des Verbrennungsmotors. Die der Erfindung
zugrundeliegende Idee ist es, durch die Beschichtung des Partikelfilters mit Alkali- und/oder Erdalkaliverbindungen den N02-Anteil im Abgas der
Verbrennungskraftmaschine insbesondere nach Kaltstart und nach einem Betrieb mit geringen Lasten und Drehzahlen zu nutzen, wobei sich mittels der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung ein sehr gutes Kaltstart- und Emissionsverhalten realisieren lassen. Ferner können, insbesondere in einem Stadtbetrieb, N02- Sekundäremissionen gering gehalten werden, insbesondere durch N02-Anteile an den Stickoxiden von kleiner gleich 50 Prozent. Darüber hinaus kann ein besonders schneller, 02-basierter Rußabbrand bei geringen Temperaturen des Abgases realisiert werden. Insbesondere ist ein schneller 02-Rußabbrand schon bei 420 bis 450 Grad Celsius statt bei 600 Grad Celsius, wie dies bei herkömmlichen Abgasnachbehandlungseinrichtungen vorgesehen ist, möglich, wodurch die thermische Alterung der
Abgasnachbehandlungseinrichtung, insbesondere der SCR-Katalysatoren und des Partikelfilters, gering gehalten werden kann.
Um einen besonders emissionsgünstigen Betrieb zu realisieren, ist es in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass stromauf des ersten SCR-Katalysators eine Dosiereinrichtung angeordnet ist, mittels welcher ein Reduktionsmittel zum
Entsticken des Abgases in das Abgas einbringbar ist. Dies bedeutet, dass mittels der Dosiereinrichtung das Reduktionsmittel an einer Stelle in das Abgas einbringbar ist, wobei diese Stelle bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgasnachbehandlungseinrichtung stromauf des ersten SCR-Katalysators angeordnet ist. Unter dem Entsticken des Abgases ist das zuvor beschriebene, zumindest teilweise Entfernen von Stickoxiden aus dem Abgas zu verstehen. Im Rahmen der selektiven katalytischen Reduktion bildet sich aus dem Reduktionsmittel, einer wässrigen
Harnstofflösung, Ammoniak, welches mit im Abgas enthaltenen Stickoxiden zu Stickstoff und Wasser reagieren kann. Dadurch, dass an der Beschichtung mit Alkali- und/oder Erdalkaliverbindungen des auf den ersten SCR-Katalysators folgenden Partikelfilters sich aus der wässrigen Harnstofflösung bildende und im Abgas verbliebene NH3 nicht oxidiert wird, da Beschichtungen mit Alkali- und/oder Erdalkaliverbindungen keine gasförmigen Komponenten oxidieren, kann in der erfindungsgemäßen
Abgasnachbehandlungseinrichtung vorteilhaft auf eine weitere Dosiereinrichtung vor dem zweiten SCR-Katalysator verzichtet werden, so dass vorteilhaft im erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung nur eine Dosiereinrichtung erforderlich ist.
Durch den Einsatz des Partikelfilters mit der beschriebenen Beschichtung des
Partikelfilters mit Alkali- und/oder Erdalkaliverbindungen ist es ferner denkbar, dass eine Kohlenwasserstoff-Dosierung, ein sogenannter HC-Doser zum Einbringen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen in das Abgas, entfallen kann und damit die Kosten der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung weiter gesenkt werden können. Darüber hinaus ist es denkbar, auf eine Abgasrückführung (AGR) zu verzichten, sodass die Kosten der Abgasnachbehandlungseinrichtung besonders gering gehalten werden können.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Steuer- und/oder Regelungseinrichtung für die Abgasnachbehandlungseinrichtung in einer Antriebseinrichtung vorgesehen, welche periodisch und/oder bei vorgegebenen Betriebsbedingungen für eine definierte
Zeitspanne eine Einbringung oder Abschaltung von Reduktionsmitteln bewirkt. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung als eine Abschalteinrichtung ausgeführt, mittels welcher ein durch die Dosiereinrichtung bewirktes Einbringen des Reduktionsmittels in das Abgas vorübergehend deaktivierbar ist. Eine der Erfindung zugrunde liegende Idee ist, die Eindosierung des
Reduktionsmittels, welches insbesondere eine wässrige Harnstofflösung ist,
vorübergehend zu unterbrechen, um die passive Regenration des Partikelfilters auf Basis von N02 durchzuführen. Die passive Regenration wird dabei vorzugsweise nicht kontinuierlich, sondern schubweise beziehungsweise diskontinuierlich oder periodisch durchgeführt. Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der erste SCR-Katalysator das stromab der Verbrennungskraftmaschine erste, von dem Abgas durchströmbare
Abgasnachbehandlungselement ist. Mit anderen Worten ist der erste SCR-Katalysator als erstes, von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbare
Abgasnachbehandlungselement nach Austritt des Abgases aus der
Verbrennungskraftmaschine angeordnet, sodass bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgases von der Verbrennungskraftmaschine zu dem ersten SCR-Katalysator zwischen dem ersten SCR-Katalysator der Verbrennungskraftmaschine kein von dem Abgas durchströmbares Abgasnachbehandlungselement zum Nachbehandeln des Abgases der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Dadurch ist es im Vergleich zu
herkömmlichen Abgasnachbehandlungseinrichtungen beispielsweise möglich, auf einen Oxidationskatalysator zu verzichten und an dessen statt den ersten SCR-Katalysator als erstes von dem Abgas durchströmbares Abgasnachbehandlungselement anzuordnen, wobei sich, insbesondere bei den oben genannten Betriebsbedingungen, aufgrund hoher Temperaturen des Abgases eine besonders hohe NOx-Konversion des ersten SCR- Katalysators realisieren lässt.
Dieser Ausgestaltung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass sich das Abgas in erster Linie durch die Durchströmung von Abgasnachbehandlungselementen abkühlt, da solche Abgasnachbehandlungselemente stets eine hohe Wärmekapazität aufweisen. Erst nachrangig ist die Abkühlung des Abgases auf eine zurückzulegende, lange Wegstrecke zurückzuführen. Dies bedeutet, dass der Entfall beziehungsweise das Weglassen eines Partikelfilters und/oder eines Oxidationskatalysators, insbesondere eines DOCs, in Abgasströmungsrichtung vor dem ersten SCR-Katalysator nicht nur eine
Kosteneinsparung bewirkt, sondern der Entfall eines Partikelfilters und/oder eines
Oxidationskatalysators ist auch insofern vorteilhaft, als das Abgas auf seinem Weg von der Verbrennungskraftmaschine zum ersten SCR-Katalysator keinen Partikelfilter und/oder Oxidationskatalysator durchströmen muss, sodass eine durch einen Partikelfilter und/oder Oxidationskatalysator bewirkte, übermäßige Abkühlung des Abgases vermieden werden kann. Somit weist das Abgas bei Erreichen des ersten SCR-Katalysators vorteilhaft eine besonders hohe Temperatur auf, sodass hohe NOx-Konversionsraten des ersten SCR-Katalysators realisiert werden können. Angemerkt sei, dass eine
Temperaturabsenkung durch einen zu durchströmenden Partikelfilter dabei in der Regel deutlich stärker ausfällt, als eine Temperaturabsenkung durch einen DOC, da ein
Partikelfilter-Material eine höhere Wärmekapazität aufweist als ein Material eines DOC und zudem ein Partikelfilter in der Regel größer ausgelegt ist. Vorteilhaft kann die Abgasnachbehandlungseinrichtung nach dieser Ausgestaltung der Erfindung
insbesondere in einer Standard-Abgasbox, einer sogenannten One-Box, eines derzeitig serienmäßigen Last- oder Nutzkraftwagens untergebracht werden, indem der erste SCR- Katalysator an Stelle eines entfallenden Oxidationskatalysators in die
Abgasnachbehandlungseinrichtung in Durchströmrichtung vor einem Partikelfilter und einem SCR/ASC-Katalysator eingebracht wird. Damit kann die
Abgasnachbehandlungseinrichtung nach dieser Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft bauraumneutral in derzeitigen Serien-Nutzfahrzeugen eingebracht werden.
Vorteilhaft ist bei einer Abgasnachbehandlungseinrichtung nach dieser Ausgestaltung der Erfindung keine weitere Abgasbox notwendig, sondern
vorgesehenen DOC untergebracht, so dass die erfindungsgemäße
Abgasnachbehandlungseinrichtung 26 vorteilhaft bauraumneutral in heutigen Serien- Nutzfahrzeugen darstellbar ist.
Die hohe Temperatur des Abgases, wie in der erfindungsgemäßen
Abgasnachbehandlungseinrichtung im ersten SCR-Katalysator vorhanden, begünstigt auch eine gute Harnstoffaufbereitung, sodass das Abgas mittels des Reduktionsmittels besonders gut entstickt werden kann. Dabei ist eine besonders gute
Harnstoffaufbereitung stromauf oder direkt nach einem Abgasturbolader, insbesondere nach einer Turbine eines Abgasturboladers, möglich. Es ist auch eine Harnstoffdosierung in Abgasströmungsrichtung vor einem Abgasturbolader denkbar.
Vorzugsweise ist in der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung der Partikelfilter das nach dem Austritt des Abgases aus der Verbrennungskraftmaschine zweite, von dem Abgas durchströmbare Abgasnachbehandlungselement, sodass vorzugsweise zwischen dem Partikelfilter und dem ersten SCR-Katalysator kein von dem Abgas durchströmbares Abgasnachbehandlungselement zum Nachbehandeln des Abgases der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist.
Als ferner vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der zweite SCR-Katalysator das nach dem Austritt des Abgases aus der Verbrennungskraftmaschine dritte, von dem Abgas durchströmbare Abgasnachbehandlungselement ist, sodass vorzugsweise zwischen dem zweiten SCR-Katalysator und dem Partikelfilter kein Abgasnachbehandlungselement zum Nachbehandeln des Abgases der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist der erste SCR-Katalysator eine kleinere Ammoniakspeicherkapazität auf als der zweite SCR-Katalysator. Dazu ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zumindest einer der SCR-Katalysatoren der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung, insbesondere der erste SCR- Katalysator, als ein Vanadium-SCR-Katalysator, insbesondere mit einer V205- Beschichtung, ausgeführt. V205 weist eine einem DOC vergleichbare Wirkung auf und katalysiert eine Oxidation von NO zu N02, so dass sich eine passive Regeneration des Partikelfilters erhöht. V2Os weist weiter vorteilhaft eine geringe Lachgas-Selektivität (N20- Selektivität) bei höherer N02-Anwesenheit. Darüber hinaus weist V205 vorteilhaft eine geringere NH3-Speicherkapazität auf, so dass eine schnellere Füllung des Vanadium- SCR-Katalysators mit NH3 nach seinem NH3-Leerfahren und damit verbunden ein schnellerer Umsatz von Stickoxiden erfolgen kann. Besonders vorteilhaft ist es, den zweiten SCR-Katalysator als Kupfer-SCR (Cu-SCR) auszuführen. Ein Cu-SCR weist vorteilhaft eine gute Tieftemperatur-Aktivität, gute Stickoxid-Reduktionsraten auch bei kleinen N02/NOx-Verhältnissen und eine hohe NH3-Speicherkapazität, insbesondere auch eine höhere Speicherkapazität für NH3 als ein Vanadium-SCR-Katalysator, so dass für eine erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungseinrichtung mit einem ersten als Vanadium-SCR ausgeführten SCR-Katalysator und einem zweiten als CU-SCR ausgeführten SCR-Katalysator in einem N02-Regenerationsbetrieb des Partikelfilters besonders vorteilhaft die Stickoxidreduktion mit NH3 in dem zweiten als CU-SCR ausgeführten SCR-Katalysator mit dem im zweiten SCR-Katalysator gespeicherten NH3 erfolgen kann.
Eine weitere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der erste SCR-Katalysator ein erstes, von dem Abgas durchströmbares Volumen und der zweite SCR-Katalysator ein zweites, von dem Abgas durchströmbares Volumen aufweist, wobei das erste
Volumen kleiner als das zweite Volumen ist. Dadurch kann ein besonders
emissionsgünstiger Betrieb realisiert werden. Vorteilhaft kann bei dieser Ausgestaltung der Erfindung auch eine Stickoxidreduktion mit NH3 in dem zweiten SCR-Katalysator mit dem im zweiten SCR-Katalysator auch nach einer Abschaltung einer
Reduktionsmittelzugabe noch gespeicherten NH3 erfolgen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist stromab des zweiten SCR-Katalysators ein von dem Abgas durchströmbarer Ammoniak-Schlupf-Katalysator (ASC) angeordnet. Ein solcher ASC hat die Aufgabe, eventuell überschüssiges Reduktionsmittel
beziehungsweise Ammoniak in Stickstoff und Wasser umzuwandeln, sodass sich ein besonders emissionsgünstiger Betrieb realisieren lässt. Ferner können unangenehme Gerüche effektiv vermieden werden. Es wurde gefunden, dass ein besonders
emissionsgünstiger Betrieb der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung realisierbar ist, wenn das Volumen des ersten SCR-Katalysators ein Verhältnis zu einem Gesamtvolumen, gebildet aus dem Volumen des zweiten SCR-Katalysators und dem Volumen des Ammoniak-Schlupf-Katalysators, von in etwa 0,3 bis zu 0,8 beträgt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist stromauf des
Partikelfilters eine Dosiereinrichtung angeordnet, mittels welcher unverbrannte
Kohlenwasserstoffe in das Abgas einbringbar sind. Dies bedeutet, dass mittels der Dosiereinrichtung zum Einbringen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) in das Abgas die unverbrannten Kohlenwasserstoffe an einer Stelle in das Abgas einbringbar sind, wobei diese Stelle stromauf des Partikelfilters angeordnet ist. Durch das Einbringen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) in das Abgas kann die Temperatur des Abgases besonders bedarfsgerecht und effektiv über die exotherme Oxidation von HC am ersten SCR-Katalysator erhöht werden, sodass ein besonders emissionsgünstiger Betrieb dargestellt werden kann. Ferner ist es möglich, hierdurch die aktive Regeneration des Partikelfilters auf Basis von 02 zu unterstützen beziehungsweise zu aktivieren, wobei diese bei vergleichsweise geringen Temperaturen durchgeführt werden kann.
Überraschenderweise ist es mittels der Beschichtung des Partikelfilters mit Alkali- und/oder Erdalkaliverbindungen möglich, sowohl die aktive als auch die passive
Regenration bei besonders vorteilhaften Bedingungen, insbesondere bei geringen Temperaturen, durchzuführen und dabei einen effektiven Rußabbau im Partikelfilter zu bewirken.
Die Dosiereinrichtung zum Einbringen der unverbrannten Kohlenwasserstoffe in das Abgas ist vorzugsweise besonders nahe an der Verbrennungskraftmaschine, das heißt verbrennungsmotornah, angeordnet, um beispielsweise die unverbrannten
Kohlenwasserstoffe in das Abgas einzubringen, wenn dieses noch eine besonders hohe Temperatur aufweist.
Zur Erfindung gehört auch eine Antriebseinrichtung für einen Kraftwagen, insbesondere einen Nutzkraftwagen, mit einer Verbrennungskraftmaschine und mit einer
erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung sind als vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung anzusehen und umgekehrt.
Des Weiteren gehört zur Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer
erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung. Vorteilhafte Ausgestaltungen der
erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung und der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des
erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn eine Abgastemperaturerhöhung durch wenigstens eine bezogen auf die Verbrennungskraftmaschine verbrennungsmotorinterne Maßnahme bewirkt wird. Da die Verbrennungskraftmaschine auch als Verbrennungsmotor bezeichnet wird, wird die Maßnahme auch als verbrennungsmotorinterne Maßnahme oder als
verbrennungsmotorinterner Eingriff bezeichnet. Durch einen solchen
verbrennungsmotorinternen Eingriff kann die Temperatur des Abgases gezielt gesteigert werden, sodass beispielsweise eine besonders effektive aktive 02-basierte Regeneration des Partikelfilters durchgeführt werden kann. Bei dem verbrennungsmotorinternen Eingriff handelt es sich beispielsweise um die Verringerung eines Luftmassenstroms, der in wenigstens einem Brennraum insbesondere in Form eines Zylinders der
Verbrennungskraftmaschine durchgeführt wird. Der Luftmassenstrom wird beispielsweise durch Androsseln verringert. Der verbrennungsmotorinterne Eingriff kann ferner eine Spätverstellung einer Kraftstoffhaupteinspritzung umfassen. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass der verbrennungsmotorinterne Eingriff die Durchführung von
nachgelagerten Nacheinspritzungen umfasst, die nur teilweise in dem Brennraum beziehungsweise in dem Verbrennungsmotor nachverbrennen.
Schließlich hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn im Rahmen des
erfindungsgemäßen Verfahrens das Einbringen von Reduktionsmittel in das Abgas periodisch bei vorgegebenen Betriebsbedingungen für eine definierte Zeitspanne abgeschaltet wird beziehungsweise unterbleibt. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass eine Zugabe des Reduktionsmittels periodisch bei bestimmten Betriebsbedingungen für eine definierte Zeitspanne abgeschaltet wird. Diese Abschaltung des Einbringens von Reduktionsmittel in das Abgas ist insbesondere vorteilhaft zur Durchführung der passiven N02-basierten Regeneration, damit das für die N02-basierte Regeneration des
Partikelfilters notwendige N02 nicht bereits schon im ersten SCR-Katalysator der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung abgebaut wird.
Für die N02-basierte Regeneration des Partikelfilters ist es in der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung möglich, das Eindosieren des Reduktionsmittels, das heißt die Zugabe des Reduktionsmittels, für eine gewisse Zeitspanne zu unterbrechen, da der zweite SCR-Katalysator eine gewisse Speicherfähigkeit oder Speicherkapazität hinsichtlich NH3 aufweist. Unter dieser Speicherfähigkeit oder Speicherkapazität . hinsichtlich NH3 ist zu verstehen, dass eine gewisse Menge an Ammoniak (NH3) im zweiten SCR-Katalysator gespeichert werden kann. Die absolute NH3-Speicherfähigkeit des zweiten SCR-Katalysators hinsichtlich NH3 ist in der erfindungsgemäßen
Abgasnachbehandlungseinrichtung größer als die des ersten SCR-Katalysators. Dies ist vorgesehen, um einen besonders vorteilhaften Betrieb der
Abgasnachbehandlungseinrichtung zu realisieren. Die unterschiedlichen NH3- Speicherfähigkeiten der SCR-Katalysatoren können beispielsweise derart realisiert werden, dass die die SCR-Katalysatoren - wie zuvor beschrieben - unterschiedlich dimensioniert sind, wobei der erste SCR-Katalysator beziehungsweise dessen erstes Volumen kleiner ist als der zweite SCR-Katalysator beziehungsweise dessen zweites Volumen und/oder durch ein Vorsehen von einem ersten und einem zweiten SCR mit unterschiedlichen spezifischen NH3-Speicherkapazitäten. Das beispielsweise im zweiten SCR-Katalysator gespeicherte NH3 reicht während der Zeitspanne, während welcher das Einbringen von Reduktionsmittel in das Abgas für eine N02-basierte Regeneration des Partikelfilters abgeschaltet ist, aus, um aus dem Partikelfilter austretende Stickoxide (NOx) im zweiten SCR-Katalysator abzubauen. Dadurch kann auch dann ein besonders emissionsgünstiger Betrieb realisiert werden, wenn das Einbringen von Reduktionsmittel in das Abgas kurzfristig für eine definierte Zeitdauer unterbleibt.
Insgesamt ist erkennbar, dass sich die Beschichtung des Partikelfilters mit Alkali- und/oder Erdalkaliverbindungen dadurch auszeichnet, dass die Beschichtung selektiv die Rußoxidation katalysiert. Im Unterschied zu herkömmlichen, edelmetallhaltigen
Beschichtungen von Partikelfiltern, insbesondere Dieselpartikelfiltern, hat die
Beschichtung des Partikelfilters mit Alkali- und/oder Erdalkaliverbindungen der
erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung keine katalytische Aktivität bezüglich Gas-zu-Gas-Reaktionen, worunter beispielsweise die Reaktion von NO zu N02, CO zu C02, HC zu C02 + H20 und die NH3-Oxidation fallen. Mittels der
erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung, der erfindungsgemäßen
Antriebseinrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrenes können auch
Sekundäremissionen wie N02 und N20, insbesondere unter realen Fahrbedingungen, gering gehalten werden bei gleichzeitiger Realisierung einer vorteilhaften und effizienten Regeneration des Partikelfilters.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Abgasnachbehandlungseinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens, mit einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren, ersten SCR- Katalysator, mit einem von dem Abgas durchströmbaren Partikelfilter zum Rückhalten von Rußpartikeln aus dem Abgas und mit einem stromab des Partikelfilters angeordneten, von dem Abgas durchströmbaren, zweiten SCR-Katalysator, wobei der erste SCR-Katalysator stromauf des
Partikelfilters angeordnet ist und wobei der Partikelfilter mit der
Beschichtung mit alkalimetallhaltigen Silikaten versehen ist;
Fig. 2 ein Diagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Betreiben der
Abgasnachbehandlungseinrichtung;
Fig. 3 ein Diagramm zum Veranschaulichen der Wirkung der Beschichtung des
Partikelfilters mit alkalimetallhaltigen Silikaten im Vergleich mit einem herkömmlichen Partikelfilter;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung zur Veranschaulichung einer möglichen Integration in ein Nutz- oder Lastkraftwagen; und
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Abgasnachbehandlungseinrichtung zur Veranschaulichung einer weiteren Möglichkeit der Integration in ein Nutz- oder Lastkraftwagen.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Fig. 1 zeigt eine Antriebseinrichtung 10 für einen Kraftwagen, insbesondere einen
Nutzkraftwagen. Die Antriebseinrichtung 10 umfasst eine Verbrennungskraftmaschine 12, welche vorliegend als Hubkolben-Verbrennungsmaschine ausgebildet ist. Dabei ist der Nutzkraftwagen mittels der Verbrennungskraftmaschine 12 antreibbar. Beispielsweise ist die Verbrennungskraftmaschine 12 als Dieselmotor ausgebildet. Die
Verbrennungskraftmaschine 12 umfasst ein Kurbelgehäuse 14, durch welches eine Mehrzahl von Brennräumen in Form von Zylindern 16 der Verbrennungskraftmaschine 12 gebildet ist. Während eines gefeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 12 werden den Zylindern 16 Luft und Kraftstoff, insbesondere flüssiger Kraftstoff, zugeführt, sodass im jeweiligen Zylinder 6 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch entsteht. Dieses Kraftstoff- Luft-Gemisch wird verbrannt, woraus Abgas der Verbrennungskraftmaschine 2 resultiert. Das Abgas aus den Zylindern 16 wird im Abgaskrümmer 22 gesammelt und dann aus der Verbrennungskraftmaschine 12 ausgeleitet.
Die Antriebseinrichtung 10 umfasst ferner eine Abgasanlage 18, welche von dem Abgas aus den Zylindern 16 durchströmbar ist. Die Abgasanlage 8 wird auch als Abgastrakt bezeichnet und umfasst eine von dem Abgas durch ström bare Verrohrung 20, welche auch als Abgasverrohrung bezeichnet wird. Mittels der Abgasanlage 18 wird das Abgas von der Verbrennungskraftmaschine 12 abgeführt. Die Verbrennungskraftmaschine 12 weist dabei einen sogenannten Austritt 24 auf, über welchen das Abgas aus der
Verbrennungskraftmaschine 12 aus- und in die Abgasanlage 18 einströmt. Der Austritt 24 wird auch als Motoraustritt oder Auslass oder Motorauslass bezeichnet und ist auf einer Auslassseite der Verbrennungskraftmaschine 12 angeordnet.
Die Abgasanlage 18 umfasst eine im Ganzen mit 26 bezeichnete
Abgasnachbehandlungseinrichtung, mittels welcher das Abgas der
Verbrennungskraftmaschine 12 nachbehandelt wird. Die Abgasanlage 18 ist von dem Abgas durchströmbar, wobei das Strömen beziehungsweise die Strömung des Abgases durch die Abgasanlage 18 in Fig. 1 durch Richtungspfeile 28 veranschaulicht ist. Bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgasanlage 18 ist die
Abgasnachbehandlungseinrichtung 26 stromab des Austritts 24 angeordnet. Da das Abgas stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung 26 und stromab des Austritts 24 noch nicht mittels der Abgasnachbehandlungseinrichtung 26 nachbehandelt ist, werden die Emissionen der Verbrennungskraftmaschine 12 in einem Bereich zwischen dem Austritt 24 und vor, das heißt stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung 26 als Roh-Emissionen bezeichnet. Die Abgasanlage 18 umfasst wenigstens ein erstes von dem Abgas durchströmbares Abgasrohr 30, sowie ein sich daran anschließendes, von dem Abgas durchströmbares zweites Abgasrohr 32, welches mit dem Abgasrohr 30 einen Winkel von in etwa 45 Grad einschließt. Dabei sind die Abgasrohre 30 und 32 stromab des Austritts 24, insbesondere stromab des Abgaskrümmers 22 angeordnet.
Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 26 umfasst einen ersten SCR-Katalysator 34, der als erstes, von dem Abgas durchströmbares Abgasnachbehandlungselement nach dem Austritt 24 und somit nach Austritt des Abgases aus der Verbrennungskraftmaschine 12 angeordnet ist. Dies bedeutet, dass der erste SCR-Katalysator 34 das stromab der Verbrennungskraftmaschine 12 erste, von dem Abgas durchströmbare
Abgasnachbehandlungselement ist, sodass zwischen dem ersten SCR-Katalysator 34 und der Verbrennungskraftmaschine 12, insbesondere dem Austritt 24, kein von dem Abgas durchströmbares Abgasnachbehandlungselement, mittels welchem das Abgas nachbehandelt wird, angeordnet ist.
Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 26 umfasst ferner einen Partikelfilter 36, welcher bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgasanlage 18
beziehungsweise durch die Abgasnachbehandlungseinrichtung 26 stromab des ersten SCR-Katalysators 34 angeordnet ist. Dabei ist auch der Partikelfilter 36 von dem Abgas durchström bar, wobei der Partikelfilter 36 zum Rückhalten von Rußpartikeln aus dem Abgas ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass mittels des Partikelfilters 36 im Abgas enthaltene Rußpartikel aus dem Abgas zurückgehalten werden. Nach Austritt des Abgases aus der Verbrennungskraftmaschine 12 sind in dem Abgas Rußpartikel enthalten, die mittels des Partikelfilters 36 zumindest teilweise aus dem Abgas gefiltert werden. Die Rußpartikel bleiben am Partikelfilter 36, insbesondere in dessen Inneren, hängen beziehungsweise setzen sich am Partikelfilter 36, insbesondere an dessen Inneren, ab, sodass sich der Partikelfilter 36 mit zunehmender Betriebsdauer zunehmend mit Rußpartikeln zusetzt. Dieses Zusetzen wird auch als Beladen oder Beladung des Partikelfilters 36 bezeichnet. Ist die Verbrennungskraftmaschine 12 beispielsweise als Dieselmotor ausgebildet, so wird der Partikelfilter 36 auch als Dieselpartikelfilter (DPF) bezeichnet.
Um nun einen besonders emissionsgünstigen Betrieb zu realisieren, umfasst die
Abgasnachbehandlungseinrichtung 26 einen von dem Abgas durchströmbaren, zweiten SCR-Katalysator 38, welcher stromab des ersten SCR-Katalysators 34 und stromab des Partikelfilters 36 angeordnet ist. Ferner ist der Partikelfilter 36, welcher stromab des ersten SCR-Katalysators 34 angeordnet ist, mit einer Beschichtung mit alkalimetallhaltigen Silikaten versehen, welche eine Oxidation der im Partikelfilter 36 rückgehaltenen Rußpartikel katalysiert. Die Beschichtung des Partikelfilters 36 katalysiert eine Rußoxidation, das heißt die Oxidation der Rußpartikel, die durch den Partikelfilter 36 rückgehaltenen und sich somit im Partikelfilter 36 befinden, besonders effizient und effektiv. Durch diese Oxidation der Rußpartikel werden die Rußpartikel aus dem
Partikelfilter 36 entfernt, wodurch die Beladung zumindest reduziert wird. Dieses
Reduzieren der Beladung des Partikelfilters 36 wird auch als Regenerieren oder
Regeneration des Partikelfilters 36 bezeichnet.
Der jeweilige SCR-Katalysator 34 beziehungsweise 38 dient dem Entsticken des
Abgases. Unter dem Entsticken des Abgases ist zu verstehen, dass im Abgas enthaltene Stickoxide (NOx) zumindest teilweise aus dem Abgas entfernt werden, sodass die Stickoxide reduziert werden. Der jeweilige SCR-Katalysator 34 beziehungsweise 38 katalysiert dabei die sogenannte selektive katalytische Reduktion (SCR), in deren Rahmen die im Abgas enthaltenen Stickoxide mit Ammoniak (NH3) zu Wasser und Stickstoff reagieren. Das für die SCR vorgesehene Ammoniak wird beispielsweise über ein Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht. Hierzu umfasst die
Abgasnachbehandlungseinrichtung 26 eine stromauf des ersten SCR-Katalysators 34 angeordnete Dosiereinrichtung 40, mittels welcher das Reduktionsmittel zum Entsticken des Abgases in das Abgas einbringbar, insbesondere einspritzbar, ist. Dies bedeutet, dass das Reduktionsmittel mittels der Dosiereinrichtung 40 an einer Stelle in das Abgas einbringbar ist, wobei diese Stelle bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgasnachbehandlungseinrichtung 26 stromauf des ersten SCR-Katalysators 34 angeordnet ist. Die Stelle wird auch als Zuführstelle bezeichnet. Stromab der
Dosiereinrichtung 40 beziehungsweise stromab der Zuführstelle und stromauf des ersten SCR-Katalysators 34 ist eine Mischeinrichtung 42 vorgesehen, welche eine Vermischung des in das Abgas eingebrachten Reduktionsmittels mit dem Abgas bewirkt
beziehungsweise unterstützt.
Das Reduktionsmittel ist eine wässrige Hamstofflösung (HWL), sodass in dem jeweiligen SCR-Katalysator 34 beziehungsweise 38 NH3 welches aus dem Reduktionsmittel erzeugt wird, mit im Abgas enthaltenen Stickoxiden zu Wasser und Stickstoff reagieren kann.
Aus Fig. 1 ist ferner erkennbar, dass der Partikelfilter 36 das zweite, von dem Abgas durchströmbare Abgasnachbehandlungselement nach Austritt des Abgases aus der Verbrennungskraftmaschine 12 ist, sodass zwischen dem ersten SCR-Katalysator 34 und dem Partikelfilter 36 kein von dem Abgas durchströmbares
Abgasnachbehandlungselement zum Nachbehandeln des Abgases angeordnet ist. Ferner ist der zweite SCR-Katalysator 38 das dritte, von dem Abgas durchströmbare Abgasnachbehandlungselement nach Austritt des Abgases aus der
Verbrennungskraftmaschine 12, sodass zwischen dem zweiten SCR-Katalysator 38 und dem Partikelfilter 36 kein von Abgas durchströmbares Abgasnachbehandlungselement zum Nachbehandeln des Abgases angeordnet ist.
Schließlich ist stromab des SCR-Katalysators 38 ein Ammoniak-Schlupf-Katalysator 44 angeordnet, welcher auch als ASC bezeichnet wird und beispielsweise auch zusätzlich die Funktion eines SCR-Katalysators aufweisen kann, sodass der Ammoniak-Schlupf- Katalysator 44 beispielsweise als SCR/ASC bezeichnet wird.
Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der erste SCR-Katalysator 34 kleiner als der zweite SCR-Katalysator 38 ist. Darunter ist zu verstehen, dass der erste SCR- Katalysator 34 ein erstes, von dem Abgas durchströmbares Volumen und der zweite SCR-Katalysator 38 ein zweites, von dem Abgas durchströmbares Volumen aufweist, wobei das erste Volumen kleiner als das zweite Volumen ist. Der ASC (Ammoniak- Schlupf-Katalysator 44) weist beispielsweise ein von dem Abgas durchströmbares, drittes Volumen auf, wobei das dritte Volumen vorzugsweise kleiner als das erste Volumen und kleiner als das zweite Volumen ist. Das Verhältnis des ersten Volumens zu der Summe aus dem zweiten und dritten Volumen liegt dabei in einem Bereich von einschließlich 0,32 bis einschließlich 0,77. Der Anteil des ersten Volumens an einem gesamten SCR- Volumen liegt dann in einem Bereich von einschließlich 20 Prozent bis einschließlich 50 Prozent. Unter dem gesamten SCR-Volumen ist die Summe der Volumen der Bauteile, die die SCR katalysieren, zu verstehen.
Durch den Einsatz der beschriebenen Beschichtung können für die Regeneration des Partikelfilters 36 insbesondere zwei Funktions- beziehungsweise Wirkprinzipien genutzt werden. Zum einen kann eine passive, N02-basierte Regeneration durchgeführt werden, wobei diese passive Regeneration schon mit nur geringen N02-Mengen und mit einer besonders hohen Reaktionsrate durchführbar ist, da die Reaktion von Ruß mit N02 in dem Partikelfilter 36 eine Feststoffreaktion ist, welche von der Beschichtung katalysiert wird. Zum anderen kann eine aktive, 02-basierte Regeneration, das heißt eine 02- Regeneration, schon bei geringen Temperaturen durchgeführt werden. Die aktive Regeneration kann beispielsweise zusätzlich zur passiven Regeneration eingeleitet werden, falls notwendig. Eine erste Zeitspanne, während welcher die passive Regeneration durchgeführt wird, liegt beispielsweise in einem Bereich von einschließlich 5 Minuten bis einschließlich 30 Minuten, wobei die passive Regeneration beispielsweise zyklisch während des Betriebs, beispielsweise in Intervallen von 10min bis 10 Stunden, durchgeführt wird. Eine zweite Zeitspanne, während welcher die aktive Regeneration durchgeführt wird, liegt beispielsweise in einem Bereich von einschließlich 15 Minuten bis einschließlich 60 Minuten und wird beispielsweise in einem Intervall von mehr als
100 Stunden durchgeführt. Die erste Zeitspanne wird auch als erste Regenerationsdauer und die zweite Zeitspanne auch als zweite Regenerationsdauer bezeichnet. Im Folgenden werden Parameter genannt, welche die passive Regeneration auslösen beziehungsweise begünstigen:
Gegendruck > Faktor 1 ,5 gegenüber leerem Partikelfilter 36 (Gegendrucktrigger) günstige Temperaturen von mehr als 300 Grad Celsius und eine
Mindestrußmenge von beispielsweise 2 Gramm pro Liter Filtervolumen
(Temperaturtrigger)
modellbasierte NH3-Speichermenge in dem zweiten SCR-Katalysator > 80 Prozent (NH3-Mengentrigger)
Rußbeladungsgradient > x Gramm pro Liter Filtervolumen und Sekunde (g/L*s).
Im Folgenden werden Parameter genannt, welche die aktive Regeneration auslösen beziehungsweise unterstützen: modellbasierte Rußbeladungsmengen (Rußmengentrigger)
maximale Dauer ohne Regeneration circa 100 Stunden (Zeittrigger)
Gegendruck > Faktor 2 gegenüber leerem Filter (Gegendrucktrigger)
günstige Temperaturen > 300 Grad Celsius und eine Mindestrußmenge von 5 Gramm pro Liter Filtervolumen (Temperaturträger)
modellbasierte NH3-Speichermenge in dem zweiten SCR-Katalysator > 80 Prozent (NH3-Mengentrigger).
Im Folgenden werden Parameter genannt, welche eine Regeneration des Partikelfilters 36 unterbrechen beziehungsweise beenden:
Ruß < 1 Gramm pro Liter Filtervolumen (w/l)
Gegendruck < 1 , 1 gegenüber leerem Filter
der Füllstand des SCR-Katalysators 38 ist kritisch, das heißt beispielsweise der Füllstand ist kleiner als 50 Prozent gegenüber dem Optimum der NOx-Umsatz erreicht einen kritischen Schwellenwert, welcher beispielsweise zur On-Bord-Diagnose (OBD) verwendet wird.
Durch den Einsatz des Partikelfilters 36 mit der beschriebenen Beschichtung kann eine besonders vorteilhafte Entstickung des Abgases auch bei geringen Temperaturen und insbesondere im realen Fahrbetrieb realisiert werden, sodass auch bei einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine 12 die Stickoxid-Emissionen gering gehalten werden können. Mittels der aktiven Regeneration kann der Partikelfilter 36 auch bei geringen Temperaturen von kleiner gleich 450 Grad Celsius effektiv durchgeführt werden. Ferner ist es möglich, als den SCR-Katalysator 34 einen Vanadium-SCR-Katalysator zu verwenden, sodass über diesen eine Exothermie zur DPF-Regeneration erzeugt werden kann. Darüber hinaus kann - wie in Fig. 1 erkennbar ist - auf einen
Oxidationskatalysator, insbesondere einen Dieseloxidationskatalysator (DOC), verzichtet werden, sodass die Teileanzahl und die Kosten gering gehalten werden. Ferner kann dadurch eine durch einen Oxidationskatalysator und einen Dieselpartikelfilter bewirkte, übermäßige Abkühlung des Abgases vermieden werden, sodass das Abgas bei Erreichen des ersten SCR-Katalysators 34 eine vorteilhafte, hohe Temperatur aufweist.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm, anhand dessen ein Verfahren zum Betreiben der
Antriebseinrichtung 10, insbesondere der Abgasnachbehandlungseinrichtung 26, veranschaulicht wird. Das Diagramm weist eine Abszisse 46 auf, auf welcher die Zeit, insbesondere die Sekunden, aufgetragen ist. Ferner weist das Diagramm eine Ordinate 48 auf, auf welche die Temperatur, insbesondere in Grad Celsius, aufgetragen ist. In das Diagramm ist ein Verlauf 50 eingetragen, welcher die Temperatur des SCR-Katalysators 34 veranschaulicht. Mit anderen Worten ist der Verlauf 50 ein zeitlicher Verlauf der Temperatur des SCR-Katalysators 34. Eine Zeile 52 veranschaulicht einen Zustand der Dosiereinrichtung 40. Bei in der Zeile 52 eingetragenen Blöcken 54 und 56 ist die
Dosiereinrichtung 40 aktiviert, sodass die Blöcke 54 und 56 jeweilige Zeitspannen veranschaulichen, während welchen das Reduktionsmittel mittels der aktivierten
Dosiereinrichtung 40 in das Abgas eingebracht, insbesondere eingespritzt, wird.
Ferner ist beispielsweise eine in Fig. 1 nicht dargestellte, weitere Dosiereinrichtung vorgesehen, welche auch als HC-Doser bezeichnet wird. Der HC-Doser ist beispielsweise stromauf des ersten SCR-Katalysators 34 und dabei in enger Nähe zu der
Verbrennungskraftmaschine 12 angeordnet. Der HC-Doser ist dazu ausgebildet, unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) an einer weiteren Zuführstelle in das Abgas einzubringen, insbesondere einzuspritzen. Diese weitere Zuführstelle ist vorzugsweise stromauf des ersten SCR-Katalysators 34 angeordnet. Beispielsweise ist der HC-Doser dazu ausgebildet, Kraftstoff und somit unverbrannte Kohlenwasserstoffe in das Abgas einzubringen.
Eine Zeile 58 des Diagramms veranschaulicht einen Zustand des HC-Dosers. Ein in die Zeile 58 eingetragener Block 60 veranschaulicht eine Zeitspanne, während welcher der HC-Doser aktiviert ist, sodass während der durch den Block 60 veranschaulichten Zeitspanne mittels des aktivierten HC-Dosers unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) in das Abgas eingebracht, insbesondere eingespritzt, werden. Ferner veranschaulicht eine Zeile 62 des Diagramms die Stickoxid-Rohemissionen der Verbrennungskraftmaschine 12. Dabei veranschaulichen in die Zeile 62 eingetragene Blöcke 64, 66 und 68
verbrennungskraftmaschineninterne Maßnahmen zur Stickoxid-Reduktion. Da die Verbrennungskraftmaschine 12 auch als Verbrennungsmotor bezeichnet wird, werden die verbrennungskraftmaschineninternen Maßnahmen auch als verbrennungsmotorinterne Maßnahmen oder VM-Maßnahmen bezeichnet. Somit veranschaulichen die Blöcke 64, 66 und 68 jeweilige Zeitspannen, während welchen VM-Maßnahmen, das heißt
verbrennungsmotorinterne Maßnahmen, zur Stickoxidreduktion durchgeführt werden. Bei einer solchen VM-Maßnahme handelt es sich beispielsweise um eine Verstellung eines Einspritzzeitpunkts nach spät. Ferner kann es sich bei der VM-Maßnahme um eine besonders hohe Abgasrückführrate handeln. Eine weitere VM-Maßnahme ist
beispielsweise die Reduzierung des dem jeweiligen Zylinder 6 zuzuführenden
Luftmassenstroms, welcher beispielsweise durch Drosselung reduziert wird. Dies erfolgt beispielsweise mittels einer in einem von der Luft durchströmbaren Ansaugtrakt angeordneten Drosselklappe. Eine weitere VM-Maßnahme kann beispielsweise sein, dass die Verbrennungskraftmaschine 12 bei höheren Lasten gefahren beziehungsweise betrieben wird.
Ein in das Diagramm eingetragener Block 70 veranschaulicht einen Start, insbesondere Kaltstart, der Verbrennungskraftmaschine 12. Während dieses Kaltstarts wird wenigstens eine VM-Maßnahme durchgeführt, was durch den Block 64 veranschaulicht ist. Ein in das Diagramm eingetragener Block 72 veranschaulicht eine Heizphase, während welcher - wie am Block 54 erkennbar ist - die Dosiereinrichtung 40 aktiviert ist. Daran schließt sich eine verbrauchsoptimale Phase an, welche durch einen Block 74 veranschaulicht ist. Ein Block 76 veranschaulicht einen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 12 bei niedrigen Lasten, wobei wenigstens eine VM-Maßnahme, veranschaulicht in Block 66, durchgeführt wird. Ferner ist die Dosiereinrichtung 40 aktiviert (Block 56). Daran schließt sich eine durch einen Block 78 veranschaulichte, verbrauchsoptimale Phase an, während welcher beispielsweise der HC-Doser aktiviert ist (Block 60). Ferner wird - wie durch den Block 68 veranschaulicht ist - wenigstens eine VM-Maßnahme durchgeführt. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass - wie aus Fig. 2 erkennbar ist - der HC-Doser erst dann aktiviert wird, wenn die Dosiereinrichtung 40 deaktiviert ist, das heißt wenn das
Einbringen des Reduktionsmittels in das Abgas abgeschaltet ist. Ist die Dosiereinrichtung 40 aktiviert, so wird mittels der Dosiereinrichtung 40 Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht. Ist die Dosiereinrichtung 40 deaktiviert, so unterbleibt ein durch die
Dosiereinrichtung 40 bewirktes Einbringen von Reduktionsmittel in das Abgas. Ist der HC- Doser aktiviert, so werden mittels des HC-Dosers unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) in das Abgas eingebracht. Ist der HC-Doser deaktiviert, so unterbleibt ein durch den HC- Doser bewirktes Einbringen von HC in das Abgas.
Ferner veranschaulicht in Fig. 2 ein Doppelpfeil 80 die passive Regeneration
beziehungsweise die zuvor beschriebene erste Regenerationsdauer, wobei ein
Doppelpfeil 82 die aktive Regeneration beziehungsweise die zuvor beschriebene
Regenerationsdauer veranschaulicht.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm 83, welches die Vorteile der Beschichtung des Partikelfilters mit alkalimetallhaltigen Silikaten gegenüber einer herkömmlichen edelmetallhaltigen
Beschichtung eines Partikelfilters zeigt. Das Diagramm 83 weist eine Abszisse 84 auf, auf welcher die Temperatur in Grad Celsius [°C] aufgetragen ist. Auf der Ordinate 86 des Diagramms 83 eine Regenerationsrate RRuß aufgetragen. Die Regenerationsrate RRuß ist ein Maß für eine Rußmenge, die innerhalb einer Zeitspanne aus dem Partikelfilter 36 entfernt, das heißt abgebrannt werden kann. Ein Verlauf 88 veranschaulicht die passive Regeneration des Partikelfilters 36 über der Temperatur, wobei ein Verlauf 90 eine N02- basierte Regeneration eines herkömmlichen Partikelfilters über der Temperatur zeigt. Aus den Verläufen 88 und 90 ist erkennbar, dass durch den Einsatz der beschriebenen Beschichtung im Vergleich zu herkömmlichen Partikelfiltern bei gleichen Temperaturen eine wesentlich höhere Regenerationsrate erzielt werden kann, sodass der Partikelfilter 36 auch dann effektiv regeneriert werden kann, wenn die passive Regeneration nur bei geringeren N02-Konzentrationen, kurzzeitig und diskontinuierlich beziehungsweise schubweise durchgeführt wird.
Ein Verlauf 92 veranschaulicht die aktive Regeneration des Partikelfilters 36, wobei ein Verlauf 94 eine 02-basierte Regeneration eines herkömmlichen Partikelfilters zeigt. Zu erkennen ist, dass die aktive Regeneration durch den Einsatz der beschriebenen
Beschichtung schon bei wesentlich geringeren Temperaturen, insbesondere bei ca. 450 Grad Celsius effektiv durchgeführt werden kann. Eine Differenz A zwischen den Verläufen 92 und 94 beträgt ca. 150 Kelvin. Dies bedeutet, dass herkömmliche
Partikelfilter erst bei ca. 600 Grad Celsius aktiv regeneriert werden können. Da der Partikelfilter 36 bereits bei 450 Grad Celsius aktiv regeneriert werden kann, können thermische Schäden der Abgasnachbehandlungseinrichtung 24 vermieden werden.
Obwohl die passive Regeneration nur zeitweise, also schubweise oder diskontinuierlich durchgeführt wird, kann der Partikelfilter 36 mittels der passiven Regeneration effektiv regeneriert werden, da der Partikelfilter 36 die beschriebene Beschichtung aufweist. Ein .weiterer Vorteil des Einsatzes der Beschichtung ist, dass eine Oxidierung von NH3 vermieden werden kann, da die Beschichtung keine Gas-Gas-Reaktionen katalysiert.. Da das Abgas keinen DOC durchströmt in dem NH3 oxidieren könnte, kann die
Dosiereinrichtung 40 besonders nahe am Austritt 40 der Verbrennungskraftmaschine angeordnet werden. Vorteile sind die erhöhte Temperatur bei Eindosierung des
Reduktionsmittels sowie eine lange Aufbereitungsstrecke des Reduktionsmittels. Zudem kühlt das Abgas durch die motornahe Anordnung des ersten SCR nicht übermäßig ab bevor der erste SCR erreicht wird, so dass hohe NOx-Umsätze erreicht werden können und ferner ein Auskristallisieren des Reduktionsmittels vermieden werden kann.
Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Möglichkeit der Integration der erfindungsgemäßen
Abgasnachbehandlungseinrichtung 26 in einer Abgasbox 96, einer sogenannten One- Box, wie diese in heutigen Serien-Nutzkraftwagen oder Serien-Lastkraftwagen bereits vorgesehen ist, mit dem ersten SCR-Katalysator 34, dem Partikelfilter 36, dem zweiten SCR-Katalysator 38 und dem ASC 44. Der erste SCR-Katalysator 34 wird dabei in einem Bauraum eines entfallenden, in derzeitigen Serienfahrzeugen vorgesehenen DOC in der Abtgasbox 96 untergebracht, so dass die erfindungsgemäße
Abgasnachbehandlungseinrichtung 26 vorteilhaft bauraumneutral in heutigen Serien- Nutzkraftwagen oder Serien-Lastkraftwagen darstellbar ist. Nicht in der Fig. 4 dargestellt ist eine gegebenenfalls vorgesehene Kohlenwasserstoff-Dosierung, ein sogenannter HC- Doser zum Einbringen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, und ein Abgasturbolader. Der Abgasturbolader ist vorteilhaft verbrennungsmotornah und in
Abgasströmungsrichtung nach dem Abgaskrümmer vorzusehen, der HC-Doser vorteilhaft nahe der Reduktionsmittel-Dosiereinrichtung 40.
Fig. 5 zeigt eine weitere Möglichkeit der Integration der erfindungsgemäßen
Abgasnachbehandlungseinrichtung 26 in der Abgasbox 96 und einer zusätzlichen verbrennungsmotornahen Abgasbox 98. In der zusätzlichen verbrennungsmotornahen Abgasbox 98 ist der erste SCR-Katalysator untergebracht. In Abgasströmungsrichtung nach dem ersten SCR-Katalysator 34 in der Abgasbox 98 ist in der Abgasbox 96 der Partikelfilter 36, der zweite SCR-Katalysator 38 und der ASC 44 untergebracht. Die Abgasbox 96 in Fig. 5 ist eine sogenannte One-Box, wie diese in heutigen Serien- Nutzkraftwagen oder Serien-Lastkraftwagen bereits vorgesehen ist. Bei der in Fig. 5 gezeigten Integration der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung 26 entfällt der DOC in der Abgasbox 96. Mit der in Fig. 5 dargestellten Integration der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungseinrichtung 26 können vorteilhaft durch den dichter am Verbrennungsmotor 12 angeordneten ersten SCR-Katalysator 34 vorteilhaft höhere Temperaturen im ersten SCR-Katalysator 34 erzielt werden, wodurch höhere NOx-Reduktionsraten, insbesondere nach einem Kaltstart oder nach einem
Niedriglastbetrieb des Verbrennungsmotors 12, erzielbar sind. Nicht in der Fig. 5 dargestellt ist eine gegebenenfalls vorgesehene Kohlenwasserstoff-Dosierung, ein sogenannter HC-Doser zum Einbringen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, und ein Abgasturbolader. Der Abgasturbolader ist vorteilhaft verbrennungsmotornah und in Abgasströmungsrichtung nach dem Abgaskrümmer vorzusehen, der HC-Doser vorteilhaft nahe der Reduktionsmittel-Dosiereinrichtung 40.
Daimler AG
Bezugszeichenliste
10 Antriebseinrichtung
12 Verbrennungskraftmaschine
14 Zylindergehäuse
16 Zylinder
18 Abgasanlage
0 Verrohrung
2 Abgaskrümmer
4 Austritt
6 Abgasnachbehandlungseinrichtung 8 Richtungspfeil
0 Abgasrohr
2 Abgasrohr
4 erster SCR-Katalysator
6 Partikelfilter
8 zweiter SCR-Katalysator
0 Dosiereinrichtung
2 Mischeinrichtung
4 Ammoniak-Schlupf-Katalysator 6 Abszisse
8 Ordinate
0 Verlauf
2 Zeile
4 Block
6 Block
8 Zeile
0 Block
2 Zeile
4 Block
6 Block
8 Block 70 Block
72 Block
74 Block
76 Block
78 Block
80 Doppelpfeil
82 Doppelpfeil
83 Diagramm
84 Abszisse
86 Ordinate
88 Verlauf
90 Verlauf
92 Verlauf
94 Verlauf
96 Abgasbox
98 Zusätzliche verbrennungsmotornahe Abgasbox
R Regenrationsrate
α Winkel

Claims

Daimler AG
Patentansprüche
Abgasnachbehandlungseinrichtung (26) für eine Verbrennungskraftmaschine (12), insbesondere eines Kraftwagens, mit wenigstens einem von Abgas der
Verbrennungskraftmaschine (12) durchströmbaren ersten SCR-Katalysator (34), welcher das stromab der Verbrennungskraftmaschine (12) erste, von dem Abgas durchströmbare Abgasnachbehandlungselement ist, und mit wenigstens einem von dem Abgas durchströmbaren Partikelfilter (36) zum Rückhalten von Rußpartikeln aus dem Abgas, wobei stromab des Partikelfilters (36) ein von dem Abgas durchströmbarer, zweiter SCR-Katalysator (38) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der stromab des ersten SCR-Katalysators (34) angeordnete Partikelfilter (36) mit einer schwermetall- und edelmetallfreien und eine Oxidation der im Partikelfilter (36) rückgehaltenen Rußpartikel katalysierenden Beschichtung versehen ist, und wobei der Partikelfilter (36) das nach dem Austritt des Abgases aus der
Verbrennungskraftmaschine (12) zweite, von dem Abgas durchström bare
Abgasnachbehandlungselement ist.
Abgasnachbehandlungseinrichtung (26) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf das Vorsehen eines Oxidationskatalysators als Abgasnachbehandlungselement für die Verbrennungskraftmaschine (12) verzichtet wird.
Abgasnachbehandlungseinrichtung (26) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die schwermetall- und edelmetallfreie Beschichtung des Partikelfilters (36) Allkali- und/oder Erdalkalimetallverbindungen aufweist.
4. Abgasnachbehandlungseinrichtung (26) nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
stromauf des ersten SCR-Katalysators (34) eine Dosiereinrichtung (40) angeordnet ist, mittels welcher ein Reduktionsmittel zum Entsticken des Abgases in dieses einbringbar ist.
5. Abgasnachbehandlungseinrichtung (26) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Steuer- und/ oder Regelungseinrichtung vorgesehen ist, welche periodisch und/ oder bei vorgegebenen Betriebsbedingungen für eine definierte Zeitspanne eine Einbringung oder Abschaltung von Reduktionsmitteln bewirkt.
6. Abgasnachbehandlungseinrichtung (26) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste SCR-Katalysator (34) eine kleinere Ammoniakspeicherkapazität aufweist als der zweite SCR-Katalysator (38).
7. Abgasnachbehandlungseinrichtung (26) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste SCR-Katalysator (34) ein erstes, von dem Abgas durchströmbares Volumen und der zweite SCR-Katalysator (38) ein zweites, von dem Abgas durchströmbares Volumen aufweist, wobei das erste Volumen kleiner als das zweite Volumen ist.
8. Abgasnachbehandlungseinrichtung (26) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
stromauf des Partikelfilters (36), insbesondere stromauf des ersten SCR- Katalysators (34), eine Dosiereinrichtung angeordnet ist, mittels welcher
unverbrannte Kohlenwasserstoffe in das Abgas einbringbar sind.
9. Abgasnachbehandlungseinrichtung (26) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
stromab des zweiten SCR-Katalysators (38) ein von dem Abgas durchströmbarer Ammoniak-Schlupf-Katalysator (44) angeordnet ist.
10. Abgasnachbehandlungseinrichtung (26) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Volumen des ersten SCR-Katalysators (34) ein Verhältnis zu dem
Gesamtvolumen, gebildet aus dem Volumen des zweiten SCR-Katalysators (38) und dem Volumen des Ammoniak-Schlupf-Katalysators (44), von in etwa 0,3 bis zu 0,8 beträgt.
1 1. Antriebseinrichtung (10) für einen Kraftwagen, mit einer
Verbrennungskraftmaschine (12) und mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
12. Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinrichtung (10) nach Anspruch 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Abgastemperaturerhöhung durch wenigstens eine bezogen auf die
Verbrennungskraftmaschine (12) interne Maßnahme bewirkt wird.
PCT/EP2016/001892 2015-11-26 2016-11-14 Abgasnachbehandlungseinrichtung für eine verbrennungskraftmaschine sowie verfahren zum betreiben einer antriebseinrichtung mit einer solchen abgasnachbehandlungseinrichtung WO2017088958A1 (de)

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