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DE102017118214A1 - Exhaust gas aftertreatment system and method for exhaust aftertreatment of an internal combustion engine - Google Patents

Exhaust gas aftertreatment system and method for exhaust aftertreatment of an internal combustion engine Download PDF

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DE102017118214A1
DE102017118214A1 DE102017118214.4A DE102017118214A DE102017118214A1 DE 102017118214 A1 DE102017118214 A1 DE 102017118214A1 DE 102017118214 A DE102017118214 A DE 102017118214A DE 102017118214 A1 DE102017118214 A1 DE 102017118214A1
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DE
Germany
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exhaust
catalyst
exhaust gas
particulate filter
downstream
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102017118214.4A
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Inventor
Ekkehard Pott
Axel Groenendijk
Ingo Blei
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor (10), insbesondere einen Dieselmotor. Dabei sind in der Abgasanlage (22) des Verbrennungsmotors (10) stromabwärts eines Auslasses (12) des Verbrennungsmotors (10) ein Abgasturbolader (18), stromabwärts des Abgasturboladers (18) ein offener Partikelfilter (30) und stromabwärts des offenen Partikelfilters (30) ein Dieselpartikelfilter (34), welcher vorzugsweise mit einer Beschichtung (38) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden versehen ist, angeordnet. Der offene Partikelfilter (30) ist vorzugsweise als kontinuierlich regenerierender Partikelfilter ausgebildet und wird kontinuierlich im Betrieb des Verbrennungsmotors mit Rußpartikeln beladen und regeneriert. Der Dieselpartikelfilter (34) ist als geschlossener Filter ausgeführt und muss periodisch regeneriert werden. Durch das Vorschalten des offenen Partikelfilters (30) können die Intervalle zwischen zwei Regenerationsvorgängen des Dieselpartikelfilters (34) verlängert werden, wodurch der durch die Regeneration verursachte Mehrverbrauch gesenkt werden kann und in Verbindung mit der Regeneration des Dieselpartikelfilters (34) weniger Schadstoffe an die Umwelt emittiert werden.

Figure DE102017118214A1_0000
The invention relates to an exhaust aftertreatment system for an internal combustion engine (10), in particular a diesel engine. In this case, in the exhaust system (22) of the internal combustion engine (10) downstream of an outlet (12) of the internal combustion engine (10), an exhaust gas turbocharger (18), downstream of the exhaust gas turbocharger (18) an open particulate filter (30) and downstream of the open particulate filter (30) a diesel particulate filter (34), which is preferably provided with a coating (38) for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides arranged. The open particle filter (30) is preferably designed as a continuously regenerating particle filter and is continuously loaded with the soot particles during operation of the internal combustion engine and regenerated. The diesel particulate filter (34) is designed as a closed filter and must be regenerated periodically. By connecting the open particulate filter (30), the intervals between two regeneration processes of the diesel particulate filter (34) can be extended, whereby the excess consumption caused by the regeneration can be reduced and emits fewer pollutants to the environment in connection with the regeneration of the diesel particulate filter (34) become.
Figure DE102017118214A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to an exhaust aftertreatment system for an internal combustion engine and to a method for exhaust aftertreatment of an internal combustion engine according to the preamble of the independent claims.

Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellen hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Dabei stellen die Forderungen nach einem weiter sinkenden Verbrauch und die weitere Verschärfung der Abgasnormen hinsichtlich der zulässigen Stickoxid-Emissionen eine Herausforderung für die Motorenentwickler dar. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Weise über einen Drei-Wege-Katalysator, sowie dem Drei-Wege-Katalysator vor- und nachgeschaltete weitere Katalysatoren. Bei Dieselmotoren finden aktuell Abgasnachbehandlungssysteme Verwendung, welche einen Oxidationskatalysator oder NOx-Speicherkatalysator, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren aufweisen. Als Reduktionsmittel wird dabei bevorzugt Ammoniak verwendet. Weil der Umgang mit reinem Ammoniak aufwendig ist, wird bei Fahrzeugen üblicherweise eine synthetische, wässrige Harnstofflösung verwendet, die in einer dem SCR-Katalysator vorgeschalteten Mischeinrichtung mit dem heißen Abgasstrom vermischt wird. Durch diese Vermischung wird die wässrige Harnstofflösung erhitzt, wobei die wässrige Harnstofflösung Ammoniak im Abgaskanal freisetzt. Eine handelsübliche, wässrige Harnstofflösung setzt sind im Allgemeinen aus 32,5 % Harnstoff und 67,5 % Wasser zusammen.The current and increasingly stringent future exhaust gas legislation places high demands on the engine raw emissions and the exhaust aftertreatment of internal combustion engines. The demands for a further reduction in consumption and the further tightening of emission standards with regard to permissible nitrogen oxide emissions pose a challenge to engine developers. In gasoline engines, exhaust gas purification takes place in a known manner via a three-way catalytic converter, as well as the three-way catalytic converter. Catalyst upstream and downstream further catalysts. For diesel engines exhaust gas aftertreatment systems are currently used, which have an oxidation catalyst or NOx storage catalyst, a catalyst for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides (SCR catalyst) and a particulate filter for the separation of soot particles and optionally other catalysts. The reducing agent used is preferably ammonia. Because the handling of pure ammonia is complicated, in vehicles usually a synthetic, aqueous urea solution is used, which is mixed in a SCR catalyst upstream mixing device with the hot exhaust gas stream. By this mixing, the aqueous urea solution is heated, wherein the aqueous urea solution releases ammonia in the exhaust gas passage. A commercial aqueous urea solution generally consists of 32.5% urea and 67.5% water.

Beim Betrieb eines Dieselmotors besteht ein Zielkonflikt zwischen niedrigen NOx-Rohemissionen, niedrigen Partikelrohemissionen und langen Regenerationsintervallen für einen Dieselpartikelfilter. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Auslegungen des Brennverfahrens des Dieselmotors wird üblicherweise in Kenntnis der sehr hohen Filterfähigkeit des Dieselpartikelfilters und der weniger effizienten Möglichkeit, Stickoxide durch die Abgasnachbehandlung zu verringern, eine Applikation gewählt, bei der die NOx-Rohemissionen gering ausfallen und vergleichsweise viele Rußpartikel entstehen, um die Emissionsgrenzwerte der Abgasnormen EU6 sowie künftiger, noch schärferer Grenzwerte zu erreichen. Damit verbunden ist der Nachteil, dass der Dieselpartikelfilter entsprechend häufig regeneriert werden muss, wobei die Regeneration des Dieselpartikelfilters zu einer Erhöhung des Verbrauchs und der Schadstoffemissionen während der Regeneration führt. Wird das Intervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Regenerationsvorgängen des Dieselpartikelfilters länger, sinken Mehrverbrach und zusätzliche Schadstoffemissionen ab.When operating a diesel engine, there is a trade-off between low levels of raw NOx emissions, low particulate emissions and long regeneration intervals for a diesel particulate filter. In known from the prior art interpretations of the combustion process of the diesel engine is usually chosen, knowing the very high filterability of the diesel particulate filter and the less efficient way to reduce nitrogen oxides by exhaust aftertreatment, an application in which the NOx raw emissions are low and comparatively many Soot particles are generated to meet the emission limits of the EU6 emissions standard as well as future even stricter limit values. This has the disadvantage that the diesel particulate filter must be regenerated correspondingly frequently, with the regeneration of the diesel particulate filter leading to an increase in consumption and pollutant emissions during regeneration. If the interval between two successive regeneration processes of the diesel particulate filter becomes longer, multiple emissions and additional pollutant emissions decrease.

Eine Minderung der Partikelrohemissionen geht wie beschrieben mit einem Anstieg der Stickoxid-Emissionen einher, sodass dies zwangsläufig zu einer Überschreitung der Grenzwerte für die Stickoxid-Emissionen führen würde. Ein solches Vorgehen scheidet also im Bestreben, die Regenerationsintervalle des Dieselpartikelfilters zu verlängern, aus.A reduction in PM emissions is associated with an increase in nitrogen oxide emissions as described, which would inevitably lead to exceeding the limit values for nitrogen oxide emissions. Such a procedure is therefore eliminated in the effort to extend the regeneration intervals of the diesel particulate filter.

Aus der DE 20 2014 102 809 U1 ist ein Abgasmodul für einen Verbrennungsmotor bekannt, wobei in dem Abgasmodul ein Oxidationskatalysator und ein Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ausgebildet sind, welche in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Dabei ist das Gehäuse teilbar ausgeführt, wobei ein Abgasrohr vorgesehen ist, welcher den ersten Gehäuseteil mit dem zweiten Gehäuseteil verbindet.From the DE 20 2014 102 809 U1 an exhaust gas module for an internal combustion engine is known, wherein in the exhaust gas module, an oxidation catalyst and a particulate filter are formed with a coating for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides, which are arranged in a common housing. In this case, the housing is made divisible, wherein an exhaust pipe is provided, which connects the first housing part with the second housing part.

Die EP 2 826 971 A1 offenbart ein Abgasnachbehandlungssystem sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors. Dabei sind in der Abgasanlage in Strömungsrichtung eines Abgases durch die Abgasanlage ein SCR-Katalysator, stromabwärts des SCR-Katalysators ein Partikelfilter und weiter stromabwärts ein zweiter SCR-Katalysator angeordnet.The EP 2 826 971 A1 discloses an exhaust aftertreatment system and a method for exhaust aftertreatment of an internal combustion engine. Here, in the exhaust system in the flow direction of an exhaust gas through the exhaust system, an SCR catalyst, downstream of the SCR catalyst, a particulate filter and further downstream, a second SCR catalyst arranged.

Darüber hinaus sind aus der EP 2 907 564 A1 ein Abgasnachbehandlungssystem sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors bekannt, bei dem in Strömungsrichtung eines Abgases durch die Abgasanlage ein Oxidationskatalysator, stromabwärts des Oxidationskatalysators ein Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung und stromabwärts des beschichteten Partikelfilters ein weiterer SCR-Katalysator angeordnet sind.In addition, from the EP 2 907 564 A1 an exhaust aftertreatment system and a method for the exhaust aftertreatment of an internal combustion engine, in which in the flow direction of an exhaust gas through the exhaust system, an oxidation catalyst downstream of the oxidation catalyst, a particulate filter with an SCR coating and downstream of the coated particulate filter another SCR catalyst are arranged.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, auch bei vergleichsweise hohen Partikelrohemissionen eine Verlängerung der Regenerationsintervalle des Dieselpartikelfilters zu ermöglichen.It is an object of the invention to make it possible to extend the regeneration intervals of the diesel particulate filter even with comparatively high particulate raw emissions.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, bei dem in einer Abgasanlage des Verbrennungsmotors stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors eine Turbine eines Abgasturboladers und stromabwärts der Turbine ein Dieselpartikelfilter angeordnet sind, gelöst. Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass stromabwärts der Turbine und stromaufwärts des Dieselpartikelfilters ein PM-Katalysator angeordnet ist. Dabei ist unter einem PM-Katalysator ein kontinuierlich katalytisch regenerierendes Partikelminderungssystem zu verstehen, welches in einem Niedertemperaturbereich von weniger als 300°C regenerierbar ist. Vorzugsweise ist der PM-Katalysator aus einer dünnen, gewellten Stahlfolie mit schaufelförmigen Sub-Strukturen und dazwischen abgeordneten Lagen aus Sintermetallvlies ausgebildet, wobei die Lagen aus Sintermetallvlies als Speichermedium für die Rußpartikel dienen. Dadurch kann die Beladung des Dieselpartikelfilters mit Rußpartikeln bei gleichen Partikelrohemissionen verlangsamt werden, sodass bei gleichen Partikelrohemissionen des Verbrennungsmotors längere Intervalle zwischen zwei Regenerationen des Dieselpartikelfilters möglich sind. Dadurch kann der Kraftstoffmehrverbrauch gesenkt werden und die bei der Regeneration des Dieselpartikelfilters auftretenden Sekundäremissionen können ebenfalls vermindert werden.According to the invention, this object is achieved by an exhaust aftertreatment system for an internal combustion engine in which a turbine of an exhaust gas turbocharger and downstream of the turbine a diesel particulate filter are arranged in an exhaust system of the internal combustion engine downstream of an outlet of the internal combustion engine. It is inventively provided that downstream of the turbine and upstream of the diesel particulate filter, a PM catalyst is arranged. Here, a PM catalyst is to be understood as meaning a continuously catalytically regenerating particle reduction system which is in a low-temperature range of less than 300 ° C is regenerable. Preferably, the PM catalyst is formed of a thin, corrugated steel foil with paddle-shaped sub-structures and deposited layers of sintered metal nonwoven therebetween, wherein the layers of sintered metal nonwoven serve as a storage medium for the soot particles. As a result, the loading of the diesel particulate filter with soot particles can be slowed down at the same particle raw emissions, so that longer intervals between two regenerations of the diesel particulate filter are possible with the same particle raw emissions of the internal combustion engine. As a result, the additional fuel consumption can be reduced and the secondary emissions occurring in the regeneration of the diesel particulate filter can also be reduced.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Abgasnachbehandlungssystems möglich.By the features listed in the dependent claims advantageous improvements and developments of the exhaust gas aftertreatment system given in the independent claim are possible.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass der Dieselpartikelfilter eine Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stichoxiden (SCR-Beschichtung) aufweist und in der Abgasanlage stromabwärts des PM-Katalysators und stromaufwärts des Dieselpartikelfilters ein Dosiermodul zur Eindosierung von Reduktionsmittel in die Abgasanlage vorgesehen ist. Durch einen Dieselpartikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden können neben den Partikelemissionen auch die Stickoxidemissionen verringert werden, wobei durch die SCR-Beschichtung des Dieselpartikelfilters bis zu 95 % der NOx-Rohemissionen des Verbrennungsmotors in unschädlichen molekularen Stickstoff N2 und Wasserdampf konvertiert werden können. Dabei kann durch eine SCR-Beschichtung auf dem Dieselpartikelfilter auf einen zusätzlichen SCR-Katalysator verzichtet werden, wodurch Gewicht, Bauraum und Kosten eingespart werden können.In an advantageous embodiment of the exhaust aftertreatment system it is provided that the diesel particulate filter has a coating for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides (SCR coating) and provided in the exhaust system downstream of the PM catalyst and upstream of the diesel particulate filter, a metering module for metering of reducing agent into the exhaust system is. Through a diesel particulate filter with a coating for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides, not only the particulate emissions but also the nitrogen oxide emissions can be reduced, whereby the SCR coating of the diesel particulate filter converts up to 95% of the raw NOx emissions of the internal combustion engine into harmless molecular nitrogen N 2 and water vapor can be. It can be dispensed with an additional SCR catalyst by an SCR coating on the diesel particulate filter, which weight, space and cost can be saved.

Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass dem Dieselpartikelfilter ein SCR-Katalysator vorgeschaltet ist, welcher in der Abgasanlage stromabwärts des PM-Katalysators und eines Dosiermoduls zur Eindosierung von Reduktionsmittel in die Abgasanalage angeordnet ist. Dabei können die Funktionaltäten von selektiver, katalytischen Reduktion und dem Zurückhalten von Rußpartikeln auf zwei Bauteile verteilt werden, wodurch jedes diese Bauteile in seiner Funktion weiter optimiert werden kann.Alternatively, it is advantageously provided that the diesel particulate filter is preceded by an SCR catalytic converter, which is arranged in the exhaust system downstream of the PM catalyst and a metering module for metering in reducing agent into the exhaust gas system. The functionalities of selective, catalytic reduction and the retention of soot particles can be distributed over two components, whereby each of these components can be further optimized in its function.

Alternativ können das Dosiermodul und der SCR-Katalysator auch stromabwärts des Dieselpartikelfilters angeordnet werden. In einer weniger bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, das Dosiermodul stromaufwärts des Dieselpartikelfilters und den SCR-Katalysator stromabwärts des Dieselpartikelfilters anzuordnen. Zwar kann man in dieser Konfiguration den Dieselpartikelfilter als zusätzlichen Abgasmischer zur Verbesserung der Gleichverteilung des Reduktionsmittels nutzen, jedoch können Tropfen des Reduktionsmittels zu Beschädigungen und/oder Funktionsstörungen des Dieselpartikelfilters führen.Alternatively, the dosing module and the SCR catalyst can also be arranged downstream of the diesel particulate filter. In a less preferred embodiment, it is possible to arrange the metering module upstream of the diesel particulate filter and the SCR catalyst downstream of the diesel particulate filter. Although you can use the diesel particulate filter as an additional exhaust gas mixer to improve the uniform distribution of the reducing agent in this configuration, but drops of the reducing agent can lead to damage and / or malfunction of the diesel particulate filter.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der PM-Katalysator eine Edelmetallbeschichtung zur Oxidation von Kohlenmonoxid und/oder unverbrannten Kohlenwasserstoffen aufweist. Durch eine entsprechende Edelmetallbeschichtung können unverbrannte Abgaskomponenten auf dem PM-Katalysator exotherm umgesetzt werden, wodurch das Erreichen der Temperatur zur kontinuierlichen Regeneration der zurückgehaltenen Rußpartikel und der Durchführung eines CRT-Verfahrens erleichtert wird. Dabei weist die Edelmetallbeschichtung Platin, Rhodium und/oder Palladium auf, welche katalytisch wirksam für einen Oxidationsprozess der unverbrannten Abgaskomponenten wirken.According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that the PM catalyst has a noble metal coating for the oxidation of carbon monoxide and / or unburned hydrocarbons. By means of a corresponding noble metal coating unburned exhaust gas components can be exothermically reacted on the PM catalyst, whereby the achievement of the temperature for continuous regeneration of the retained soot particles and the implementation of a CRT process is facilitated. In this case, the noble metal coating on platinum, rhodium and / or palladium, which act catalytically effective for an oxidation process of the unburned exhaust gas components.

Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Edelmetallbeschichtung einen Edelmetallgehalt von 30 - 250 g/ft3, vorzugsweise von 40 - 200 g/ft3, besonders bevorzugt von 60 - 150 g/ft3 aufweist, wobei die Edelmetallbeschichtung einen Platinanteil von mindestens 40 %, vorzugsweise von mindestens 70 % hat. Durch eine entsprechende Edelmetallbeschichtung kann eine optimale Umsetzung der unverbrannten Abgaskomponenten sichergestellt werden.It is particularly preferred if the noble metal coating has a noble metal content of 30-250 g / ft 3 , preferably 40-200 g / ft 3 , particularly preferably 60-150 g / ft 3 , the noble metal coating having a platinum content of at least 40%. , preferably of at least 70%. An appropriate noble metal coating can ensure optimal conversion of the unburned exhaust gas components.

Der PM-Katalysator weist ein Katalysatorvolumen von mindestens 0,5 dm3, vorzugsweise von mindestens 0,8 dm3, besonders bevorzugt von mindestens 1,2 dm3, idealerweise von mindestens 1,5 dm3 auf. Um eine hinreichende Reinigungswirkung und einen entsprechenden Abscheidungsgrad für Rußpartikel zu erreichen, ist ein entsprechendes Katalysatorvolumen des PM-Katalysators notwendig. Dabei ist ein Katalysatorvolumen von mindestens 1,5 dm3 besonders vorteilhaft, um eine hinreichende Aufnahme von Rußpartikeln zu ermöglichen.The PM catalyst has a catalyst volume of at least 0.5 dm 3 , preferably of at least 0.8 dm 3 , more preferably of at least 1.2 dm 3 , ideally of at least 1.5 dm 3 . In order to achieve a sufficient cleaning effect and a corresponding degree of separation for soot particles, a corresponding catalyst volume of the PM catalyst is necessary. In this case, a catalyst volume of at least 1.5 dm 3 is particularly advantageous in order to allow a sufficient uptake of soot particles.

In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem PM-Katalysator ein Oxidationskatalysator vorgeschaltet ist. Durch einen vorgeschalteten Oxidationskatalysator, welcher auch als Startkatalysator des Verbrennungsmotors bezeichnet wird, ist eine besonders effizient Umsetzung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenstoffmonoxid möglich. Durch die motornahe Anordnung erreicht der Oxidationskatalysator nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors möglichst schnell seine Betriebstemperatur, sodass eine wirksame Konvertierung der genannten Schadstoffe möglich ist. Dabei weist der Startkatalysator vorzugsweise ein Katalysatorvolumen von 0,2 - 0,7 dm3, besonders bevorzugt von 0,4 - 0,6 dm3 auf.In a further improvement of the invention it is provided that the PM catalyst is preceded by an oxidation catalyst. By an upstream oxidation catalyst, which is also referred to as a starting catalyst of the internal combustion engine, a particularly efficient reaction of unburned hydrocarbons and carbon monoxide is possible. Due to the arrangement close to the engine, the oxidation catalytic converter reaches its operating temperature as quickly as possible after a cold start of the internal combustion engine, so that an effective conversion of said pollutants is possible is. In this case, the starting catalyst preferably has a catalyst volume of from 0.2 to 0.7 dm 3 , particularly preferably from 0.4 to 0.6 dm 3 .

In einer bevorzugten Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass dem PM-Katalysator ein elektrisch beheizbarer Katalysator vorgeschaltet oder nachgeschaltet ist. Durch einen elektrisch beheizbaren Katalysator kann das Aufheizen des PM-Katalysators begünstigt werden. Ist der elektrisch beheizbare Katalysator dem PM-Katalysator vorgeschaltet, kann der Rußabbrand auf dem PM-Katalysator bei kalter Abgasanlage, insbesondere bei Kurzstreckenverkehr, wirksam unterstützt werden. Ist der elektrisch beheizbare Katalysator dem PM-Katalysator nachgeschaltet und weist eine Hydrolysebeschichtung auf, kann auf effektive Art und Weise das Verdampfen der wässrigen Reduktionsmittellösung, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung, und die Freisetzung eines darin enthaltenen Reduktionsmittel unterstützt werden.In a preferred embodiment of the exhaust gas aftertreatment system, it is provided that an electrically heatable catalyst is connected upstream or downstream of the PM catalyst. By an electrically heatable catalyst, the heating of the PM catalyst can be promoted. If the electrically heatable catalyst precedes the PM catalyst, the Rußabbrand on the PM catalyst at cold exhaust system, especially in short-haul traffic, can be effectively supported. If the electrically heatable catalyst downstream of the PM catalyst and has a hydrolysis on effective evaporation of the aqueous reducing agent solution, in particular an aqueous urea solution, and the release of a reducing agent contained therein can be supported.

In einer vorteilhaften Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass der elektrisch beheizbare Katalysator eine Edelmetallbeschichtung zur oxidativen Umsetzung von unverbrannten Abgaskomponenten oder eine Hydrolysebeschichtung zur verbesserten Aufbereitung eines flüssigen Reduktionsmittels aufweist. Durch eine entsprechende Beschichtung kann die katalytische Wirkung des elektrisch beheizbaren Katalysators verbessert werden.In an advantageous improvement of the invention, it is provided that the electrically heatable catalyst has a noble metal coating for the oxidative conversion of unburned exhaust gas components or a hydrolysis coating for the improved preparation of a liquid reducing agent. By an appropriate coating, the catalytic effect of the electrically heated catalyst can be improved.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Niederdruck-Abgasrückführung vorgesehen, wobei ein Abgasrückführungskanal der Niederdruck-Abgasrückführung stromabwärts des PM-Katalysators und stromaufwärts des Dieselpartikelfilters aus einem Abgaskanal der Abgasanlage abzweigt und stromaufwärts eines Verdichters des Abgasturboladers in eine Frischgasleitung eines Ansaugtraktes des Verbrennungsmotors einmündet. Durch eine Niederdruck-Abgasrückführung, welche stromabwärts des PM-Katalysators und stromaufwärts des Dieselpartikelfilters abzweigt, kann die Raumgeschwindigkeit im Dieselpartikelfilter reduziert werden. Dadurch können die Konvertierungsraten an der SCR-Beschichtung des Dieselpartikelfilters erhöht werden.In an advantageous embodiment of the invention, a low-pressure exhaust gas recirculation is provided, wherein an exhaust gas recirculation channel of the low-pressure exhaust gas recirculation downstream of the PM catalyst and upstream of the diesel particulate filter branches off from an exhaust passage of the exhaust system and opens upstream of a compressor of the exhaust gas turbocharger in a fresh gas line of an intake manifold of the internal combustion engine. Low-pressure exhaust gas recirculation, which branches off downstream of the PM catalyst and upstream of the diesel particulate filter, can reduce the space velocity in the diesel particulate filter. As a result, the conversion rates of the SCR coating of the diesel particulate filter can be increased.

Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass eine Niederdruck-Abgasrückführung vorgesehen ist, wobei ein erster Abgasrückführungskanal der Niederdruck-Abgasrückführung stromabwärts des PM-Katalysators und stromaufwärts des Dieselpartikelfilters aus einem Abgaskanal des Abgasanlage abzweigt und ein zweiter Abgasrückführungskanal der Niederdruck-Abgasrückführung stromabwärts des Dieselpartikelfilters aus dem Abgaskanal der Abgasanlage abzweigt und stromaufwärts eines Verdichters eines Abgasturboladers in eine Frischgasleitung des Verbrennungsmotors mündet, wobei in dem zweiten Abgasrückführungskanal, vorzugsweise ausschließlich in dem zweiten Abgasrückführungskanal, ein Niederdruck-Abgasrückführungskühler angeordnet ist. Dadurch kann ein erster Teilstrom des Abgases über den ersten Abgasrückführungskanal ungekühlt zurückgeführt werden und ein zweiter Teilstrom des Abgases gekühlt zurückgeführt werden. Ferner ist es möglich, in Abhängigkeit der Betriebsparameter des Verbrennungsmotors wahlweise eine gekühlte oder ungekühlte Abgasrückführung über die Niederdruck-Abgasrückführungskanäle zu realisieren, wodurch ein Auskondensieren von Flüssigkeit in einem der Abgasrückführungskanäle vermieden wird und die Rohemissionen des Verbrennungsmotors schon zeitnah nach einem Kaltstart durch eine ungekühlte Niederdruck-Abgasrückführung verbessert werden können.Alternatively, it is advantageously provided that a low-pressure exhaust gas recirculation is provided, wherein a first exhaust gas recirculation channel of the low-pressure exhaust gas recirculation downstream of the PM catalyst and upstream of the diesel particulate filter branches off an exhaust passage of the exhaust system and a second exhaust gas recirculation channel of the low-pressure exhaust gas recirculation downstream of the diesel particulate filter from the Exhaust duct of the exhaust system branches off and upstream of a compressor of an exhaust gas turbocharger flows into a fresh gas line of the internal combustion engine, wherein in the second exhaust gas recirculation passage, preferably only in the second exhaust gas recirculation passage, a low-pressure exhaust gas recirculation cooler is arranged. As a result, a first partial flow of the exhaust gas can be recirculated without cooling via the first exhaust gas recirculation passage and a second partial flow of the exhaust gas can be recirculated in a cooled manner. Furthermore, it is possible, depending on the operating parameters of the internal combustion engine optionally to realize a cooled or uncooled exhaust gas recirculation via the low-pressure exhaust gas recirculation channels, whereby a condense of liquid in one of the exhaust gas recirculation channels is avoided and the raw emissions of the engine in a timely manner after a cold start by an uncooled low pressure Exhaust gas recirculation can be improved.

Gemäß einer weiteren Verbesserung des Abgasnachbehandlungssystem ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Einlass des PM-Katalysators mit einer Abgaslauflänge von weniger als 400 mm, bevorzugt von weniger als 300 mm, besonders bevorzugt von weniger als 200 mm, idealerweise von weniger als 150 mm ab einem Turbinenaustritt der Turbine des Abgasturboladers in der Abgasanlage angeordnet ist. Durch eine entsprechende motornahe Anordnung des PM-Katalysators und einen kurzen Abstand zum Auslass der Turbine kann sichergestellt werden, dass der PM-Katalysator zeitnah nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors seine Betriebstemperatur erreicht und insbesondere die zur Selbstreinigung des PM-Katalysators notwendige Temperatur von mehr als 200°C erreicht beziehungsweise überschritten wird.According to a further improvement of the exhaust aftertreatment system is advantageously provided that the inlet of the PM catalyst with a Abgaslauflänge of less than 400 mm, preferably less than 300 mm, more preferably less than 200 mm, ideally less than 150 mm from a Turbine outlet of the turbine of the exhaust gas turbocharger is arranged in the exhaust system. By a corresponding close-coupled arrangement of the PM catalyst and a short distance to the outlet of the turbine can be ensured that the PM catalyst reaches its operating temperature promptly after a cold start of the engine and in particular the required for self-cleaning of the PM catalyst temperature of more than 200 ° C is reached or exceeded.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen, wobei ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors zunächst durch einen Turbine eines Abgasturboladers geleitet wird. Anschließend wird der Abgasstrom stromabwärts der Turbine zunächst durch einen motornah angeordneten PM-Katalysator und anschließend durch einen stromabwärts des PM-Katalysators angeordneten Dieselpartikelfilter geleitet. Vorteilhaft an diesem Verfahren ist, dass sowohl an dem PM-Katalysator als auch an dem Dieselpartikelfilter Rußpartikel abgeschieden werden, sodass die Beladung des Dieselpartikelfilters bei gleichen Partikelrohemissionen des Verbrennungsmotors verlangsamt wird und längere Intervalle zwischen zwei Regenerationen des Dieselpartikelfilters möglich sind.According to the invention, a method for exhaust aftertreatment of an internal combustion engine is proposed, wherein an exhaust gas stream of the internal combustion engine is first passed through a turbine of an exhaust gas turbocharger. Subsequently, the exhaust gas stream downstream of the turbine is first passed through a PM catalyst arranged close to the engine and then through a diesel particulate filter arranged downstream of the PM catalyst. An advantage of this method is that soot particles are deposited on both the PM catalyst and on the diesel particulate filter, so that the load of the diesel particulate filter is slowed at the same PM emissions of the internal combustion engine and longer intervals between two regenerations of the diesel particulate filter are possible.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei in den unterschiedlichen Figuren mit gleichen Bezugszeichen dargestellt. Es zeigen:

  • 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor;
  • 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor, wobei die Positionen des elektrisch beheizbaren Katalysators und des PM-Katalysators gegenüber dem Ausführungsbeispiel in 1 vertauscht sind;
  • 3 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor;
  • 4 ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor;
  • 5 ein weiteres, besonders einfaches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor;
  • 6 ein weiteres, alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems, wobei die Niederdruck-Abgasrückführung stromabwärts des PM-Katalysators und stromaufwärts des Dieselpartikelfilters aus dem Abgaskanal abzweigt;
  • 7 ein weiteres, alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems, wobei die Positionen des elektrisch beheizbaren Katalysators und des PM-Katalysators gegenüber dem Ausführungsbeispiel in 6 vertauscht sind; und
  • 8 ein Diagramm zur Visualisierung des Temperaturverlaufs stromaufwärts und stromabwärts des PM-Katalysators sowie der Geschwindigkeit eines Kraftfahrzeuges mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem bei einem Testzyklus.
The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Identical components or components with the same function are shown in the different figures with the same reference numerals. Show it:
  • 1 an embodiment of an exhaust aftertreatment system according to the invention for an internal combustion engine;
  • 2 a further embodiment of an exhaust aftertreatment system according to the invention for an internal combustion engine, wherein the positions of the electrically heatable catalyst and the PM catalyst over the embodiment in 1 are reversed;
  • 3 an alternative embodiment of an exhaust gas aftertreatment system according to the invention for an internal combustion engine;
  • 4 a further alternative embodiment of an exhaust gas aftertreatment system according to the invention for an internal combustion engine;
  • 5 a further, particularly simple embodiment of an exhaust aftertreatment system according to the invention for an internal combustion engine;
  • 6 another alternative embodiment of an exhaust aftertreatment system according to the invention, wherein the low-pressure exhaust gas recirculation branches off from the exhaust passage downstream of the PM catalyst and upstream of the diesel particulate filter;
  • 7 a further alternative embodiment of an exhaust aftertreatment system according to the invention, wherein the positions of the electrically heatable catalyst and the PM catalyst with respect to the embodiment in 6 are reversed; and
  • 8th a diagram for visualizing the temperature profile upstream and downstream of the PM catalyst and the speed of a motor vehicle with an exhaust aftertreatment system according to the invention in a test cycle.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 20 eines Verbrennungsmotors 10. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Auslass 12, insbesondere einen Abgaskrümmer 14 auf, welcher mit einer Abgasanlage 22 des Verbrennungsmotors 10 verbunden ist. Der Verbrennungsmotor 10 ist als selbstzündender Verbrennungsmotor 10 nach dem Diesel-Prinzip ausgeführt. In der Abgasanlage 22 des Verbrennungsmotors 10 ist stromabwärts des Auslasses 12 eine Turbine 18 eines Abgasturboladers 16 angeordnet, mit welcher ein Verdichter 66 zur Luftversorgung des Verbrennungsmotors 10 angetrieben wird. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Einlass 68 auf, welche mit einem Ansaugtrakt 60 des Verbrennungsmotors 10 verbunden ist. Der Ansaugtrakt 60 umfasst eine Frischgasleitung 62, in welcher ein Luftfilter 64 und stromabwärts des Luftfilters 64 mindestens ein Verdichter 66 eines Abgasturboladers 18 angeordnet ist. Stromabwärts des Verdichters 66 und stromaufwärts eines Einlasses 68 des Verbrennungsmotors 10 ist ein Ladeluftkühler 58 angeordnet, um die durch den Verdichter 66 komprimierte Frischluft abzukühlen und somit die Füllung der Brennräume des Verbrennungsmotors 10 weiter zu verbessern. Der Verbrennungsmotor 10 weist ferner einen Auslass 12 auf, an welcher ein Abgaskrümmer 14 ausgebildet ist, welcher mit einem Abgasnachbehandlungssystem 20 des Verbrennungsmotors 10 verbunden ist. 1 shows an embodiment of an exhaust aftertreatment system according to the invention 20 an internal combustion engine 10 , The internal combustion engine 10 has an outlet 12 , in particular an exhaust manifold 14 on, which with an exhaust system 22 of the internal combustion engine 10 connected is. The internal combustion engine 10 is as a self-igniting internal combustion engine 10 executed according to the diesel principle. In the exhaust system 22 of the internal combustion engine 10 is downstream of the outlet 12 a turbine 18 an exhaust gas turbocharger 16 arranged, with which a compressor 66 for air supply of the internal combustion engine 10 is driven. The internal combustion engine 10 has an inlet 68 on which with an intake tract 60 of the internal combustion engine 10 connected is. The intake tract 60 includes a fresh gas line 62 in which an air filter 64 and downstream of the air filter 64 at least one compressor 66 an exhaust gas turbocharger 18 is arranged. Downstream of the compressor 66 and upstream of an inlet 68 of the internal combustion engine 10 is a charge air cooler 58 arranged to pass through the compressor 66 to cool compressed fresh air and thus the filling of the combustion chambers of the internal combustion engine 10 continue to improve. The internal combustion engine 10 also has an outlet 12 on, on which an exhaust manifold 14 is formed, which with an exhaust aftertreatment system 20 of the internal combustion engine 10 connected is.

Die Abgasanlage 22 weist stromabwärts der Turbine 18 einen motornahen Startkatalysator 24 auf, welcher vorzugsweise als Oxidationskatalysator ausgebildet ist. Stromabwärts des Startkatalysators 24 ist ein Stützkatalysator 28 angeordnet, welcher als PM-Katalysator 30 vorzugsweise mit einer Edelmetallbeschichtung 32 ausgebildet ist. Unmittelbar stromabwärts des PM-Katalysators 30 ist ein elektrisch beheizbarer Katalysator 26 angeordnet. Der elektrisch beheizbare Katalysator 26 weist ein elektrisches Heizelement, insbesondere eine elektrische Heizscheibe auf, welche vorzugsweise mit dem Stützkatalysator 28 zur Erhöhung der mechanischen Stabilität über eine Verstiftung verbunden ist. Dabei sind der elektrisch beheizbare Katalysator 26 und der PM-Katalysator 30 als Metallkatalysatoren ausgeführt, um eine hohe mechanische Stabilität und eine ebenfalls hohe Wärmeübertragung zwischen den Komponenten zu ermöglichen. Der PM-Katalysator 30 weist dünne, gewellte Stahlfolien mit schaufelförmigen Sub-Strukturen und dazwischen angeordneten Lagen aus Sintermetallvlies auf, die als Speichermedium für die Rußpartikel dienen. In PM-Katalysatoren 30 werden bei genügend hohen Temperaturen und NO2-Konzentrationen die dort angelagerten Partikel oxidiert und so der PM-Katalysator 30 nach dem sogenannten CRT-Verfahren („Continuous Regeneration Trap“) kontinuierlich im Betrieb des Verbrennungsmotors 10 regeneriert. Das zur Regeneration notwendige Stickstoffdioxid wird auf dem vorgeschalteten Oxidationskatalysator 24 gebildet oder an der Edelmetallbeschichtung 32 des PM-Katalysators 30 gebildet. Unter einer motornahen Anordnung ist in diesem Zusammenhang eine Anordnung mit einer Abgaslauflänge von maximal 60 cm, vorzugsweise von maximal 40 cm, ab dem Auslass 12 des Verbrennungsmotors 10 zu verstehen. Dabei ist der Einlass des PM-Katalysators 30 vorzugsweise weniger als 400 mm, insbesondere weniger als 300 mm, besonders bevorzugt weniger als 200 mm, idealerweise weniger als 150 mm stromabwärts eines Auslasses der Turbine 18 des Abgasturboladers 16 angeordnet.The exhaust system 22 points downstream of the turbine 18 a near-engine start catalyst 24 which is preferably formed as an oxidation catalyst. Downstream of the starting catalyst 24 is a supporting catalyst 28 arranged, which as PM catalyst 30 preferably with a noble metal coating 32 is trained. Immediately downstream of the PM catalyst 30 is an electrically heatable catalyst 26 arranged. The electrically heatable catalyst 26 has an electrical heating element, in particular an electric heating disk, which preferably with the support catalyst 28 is connected to increase the mechanical stability via a pinning. In this case, the electrically heatable catalyst 26 and the PM catalyst 30 designed as metal catalysts to allow high mechanical stability and also a high heat transfer between the components. The PM catalyst 30 has thin, corrugated steel foils with paddle-shaped sub-structures and interposed layers of sintered metal fleece, which serve as a storage medium for the soot particles. In PM catalysts 30 At sufficiently high temperatures and NO2 concentrations, the particles deposited there are oxidized and thus the PM catalyst 30 according to the so-called CRT method ("Continuous Regeneration Trap") continuously during operation of the internal combustion engine 10 regenerated. The necessary for the regeneration of nitrogen dioxide is on the upstream oxidation catalyst 24 formed or at the noble metal coating 32 of the PM catalyst 30 educated. Under a close-coupled arrangement in this context is an arrangement with a Abgaslauflänge of a maximum of 60 cm, preferably of a maximum of 40 cm, from the outlet 12 of the internal combustion engine 10 to understand. This is the inlet of the PM catalyst 30 preferably less than 400 mm, in particular less than 300 mm, more preferably less than 200 mm, ideally less than 150 mm downstream of an outlet of the turbine 18 the exhaust gas turbocharger 16 arranged.

Stromabwärts des PM-Katalysators 30 ist ein Dieselpartikelfilter 34 mit einer Beschichtung 38 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Beschichtung) angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 34 ist eine Verzweigung 46 der Abgasanlage 22 vorgesehen, an der sich ein Abgaskanal 44 in eine Niederdruck-Abgasrückführung 50 und einen Unterbodenkanal 70 verzweigt, welcher den Dieselpartikelfilter 34 mit einem Endrohr der Abgasanlage 22 verbindet. Die Niederdruck-Abgasrückführung 50 weist einen Abgasrückführungskanal 52 auf, welcher den Abgaskanal 44 an der Verzweigung 46 stromabwärts des Dieselpartikelfilters 34 mit einer Einmündung 54 in den Ansaugtrakt 60 stromabwärts des Luftfilters 64 und stromaufwärts des Verdichters 66 verbindet. Die Niederdruck-Abgasrückführung 50 weist einen Niederdruck-Abgasrückführungs-Kühler 56 auf, mit welchem das zurückgeführte Abgas vor der Zumischung zur Frischluft im Ansaugtrakt 60 abgekühlt wird.Downstream of the PM catalyst 30 is a diesel particulate filter 34 with a coating 38 for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides (SCR coating) arranged. Downstream of the particulate filter 34 is a branch 46 the exhaust system 22 provided, at which there is an exhaust duct 44 in a low-pressure exhaust gas recirculation 50 and a subfloor channel 70 branches, which the diesel particulate filter 34 with a tailpipe of the exhaust system 22 combines. The low pressure exhaust gas recirculation 50 has an exhaust gas recirculation passage 52 on which the exhaust duct 44 at the junction 46 downstream of the diesel particulate filter 34 with a junction 54 in the intake tract 60 downstream of the air filter 64 and upstream of the compressor 66 combines. The low pressure exhaust gas recirculation 50 has a low pressure exhaust gas recirculation cooler 56 on, with which the recirculated exhaust gas before admixing with the fresh air in the intake 60 is cooled.

Stromabwärts des PM-Katalysators 30 und stromaufwärts des Dieselpartikelfilters 34 mit der SCR-Beschichtung 38 ist ein Dosiermodul 40 zur Eindosierung eines Reduktionsmittels 42, insbesondere wässriger Harnstofflösung, vorgesehen. Dabei weist der Abgaskanal 44 der Abgasanlage 22 in dem Bereich zwischen dem PM-Katalysator 30 und dem Dieselpartikelfilter 34 ein Umlenkelement 48 auf. Durch die Umlenkung des Abgasstroms entsteht eine Verwirbelung, welche eine Vermischung des eindosierten Reduktionsmittels 42 mit dem Abgas vor einem Eintritt in den Dieselpartikelfilter 34 begünstigt und somit die Verdampfung des Reduktionsmittels 42 und die Gleichverteilung über den Querschnitt des Abgaskanals 44 verbessert. Anstelle eines Dieselpartikelfilters 34 mit einer SCR-Beschichtung 38 können auch, wie in 2 dargestellt, ein unbeschichteter Dieselpartikelfilter 34 und ein separater SCR-Katalysator 36 in der Abgasanlage 22 stromabwärts des Dosiermoduls 40 verbaut sein.Downstream of the PM catalyst 30 and upstream of the diesel particulate filter 34 with the SCR coating 38 is a dosing module 40 for dosing a reducing agent 42 , in particular aqueous urea solution provided. In this case, the exhaust duct 44 the exhaust system 22 in the area between the PM catalyst 30 and the diesel particulate filter 34 a deflecting element 48 on. By the deflection of the exhaust gas flow creates a turbulence, which is a mixing of the metered reducing agent 42 with the exhaust gas before entering the diesel particulate filter 34 favors and thus the evaporation of the reducing agent 42 and the uniform distribution over the cross section of the exhaust passage 44 improved. Instead of a diesel particulate filter 34 with an SCR coating 38 can also, as in 2 shown, an uncoated diesel particulate filter 34 and a separate SCR catalyst 36 in the exhaust system 22 downstream of the dosing module 40 be installed.

In 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 20 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt sind in diesem Ausführungsbeispiel die Positionen des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 und des PM-Katalysators 30 vertauscht. Der PM-Katalysator 30 ist somit stromabwärts des Startkatalysators 24 und stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 26 angeordnet und quasi durch diese beiden Katalysatoren 24, 26 eingebettet. Dabei kann der elektrisch beheizbare Katalysator 26 in Interaktion mit dem Dosiermodul 40 treten und als Hydrolysekatalysator ausgebildet sein, um eine Verdampfung des flüssigen Reduktionsmittels 42 zu begünstigen. Ferner ist stromabwärts des Dosierelements 40 und stromaufwärts des Dieselpartikelfilters 34 ein SCR-Katalysator 36 angeordnet. Dabei kann der Dieselpartikelfilter 34 frei von einer Beschichtung 38 ausgeführt werden. Alternativ kann auch wie in 1 ein Dieselpartikelfilter 34 mit einer SCR-Beschichtung anstelle eines Dieselpartikelfilters 34 und eines separaten SCR-Katalysators 36 verwendet werden.In 2 is an alternative embodiment of an exhaust aftertreatment system according to the invention 20 shown. With essentially the same structure as 1 executed in this embodiment, the positions of the electrically heatable catalyst 26 and the PM catalyst 30 reversed. The PM catalyst 30 is thus downstream of the starting catalyst 24 and upstream of the electrically heatable catalyst 26 arranged and quasi by these two catalysts 24 . 26 embedded. In this case, the electrically heatable catalyst 26 in interaction with the dosing module 40 occur and be designed as a hydrolysis catalyst to evaporation of the liquid reducing agent 42 to favor. Further, downstream of the metering element 40 and upstream of the diesel particulate filter 34 an SCR catalyst 36 arranged. This can be the diesel particulate filter 34 free from a coating 38 be executed. Alternatively, as in 1 a diesel particulate filter 34 with an SCR coating instead of a diesel particulate filter 34 and a separate SCR catalyst 36 be used.

In 3 ist ein weiteres, alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 20 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, entfällt bei diesem Ausführungsbeispiel der elektrisch beheizbare Katalysator 26, sodass stromabwärts eines Startkatalysators 24 der PM-Katalysator 30 angeordnet ist und stromabwärts des PM-Katalysators 30 kein zusätzlicher Oxidationskatalysator vorhanden ist.In 3 is another, alternative embodiment of an exhaust aftertreatment system according to the invention 20 shown. With essentially the same structure as 1 executed, omitted in this embodiment, the electrically heated catalyst 26 so that downstream of a startup catalyst 24 the PM catalyst 30 is arranged and downstream of the PM catalyst 30 no additional oxidation catalyst is present.

In 4 ist ein weiteres, alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 20 für einen Verbrennungsmotor 10 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, entfällt bei diesem Ausführungsbeispiel der Startkatalysator 24 und wird durch einen elektrisch beheizbaren Katalysator 26, welcher stromaufwärts des PM-Katalysators 30 angeordnet ist, ersetzt. Stromabwärts des PM-Katalysators 30 ist kein weiterer elektrisch beheizbarer Katalysator 26 vorgesehen, sodass insgesamt ein Katalysator weniger benötigt wird.In 4 is another, alternative embodiment of an exhaust aftertreatment system according to the invention 20 for an internal combustion engine 10 shown. With essentially the same structure as 1 executed, omitted in this embodiment, the starting catalyst 24 and is powered by an electrically heated catalyst 26 which is upstream of the PM catalyst 30 is arranged replaced. Downstream of the PM catalyst 30 is not another electrically heatable catalyst 26 provided so that a total of one less catalyst is needed.

In 5 ist ein besonders einfaches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 20 für einen Verbrennungsmotor 10 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, entfallen bei diesem Ausführungsbeispiel sowohl der Startkatalysator 24 als auch der elektrisch beheizbare Katalysator 26, sodass das Abgasnachbehandlungssystem 20 lediglich einen PM-Katalysator 30 mit einer Edelmetallbeschichtung 32 sowie einen stromabwärts des PM-Katalysators 30 angeordneten Dieselpartikelfilter 34 mit einer SCR-Beschichtung 38 aufweist. Eine solche Anordnung ist insbesondere bei Verbrennungsmotoren 10 möglich, welche niedrige HC- und CO-Rohemissionen aufweisen.In 5 is a particularly simple embodiment of an exhaust aftertreatment system according to the invention 20 for an internal combustion engine 10 shown. With essentially the same structure as 1 executed, omitted in this embodiment, both the starting catalyst 24 as well as the electrically heatable catalyst 26 so that the exhaust aftertreatment system 20 just a PM catalyst 30 with a precious metal coating 32 and one downstream of the PM catalyst 30 arranged diesel particulate filter 34 with an SCR coating 38 having. Such an arrangement is especially in internal combustion engines 10 possible, which have low HC and CO raw emissions.

In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Abgasnachbehandlungssystems 20 für einen Verbrennungsmotor 10 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 aufgeführt zweigt die Niederdruck-Abgasrückführung 50 an einer Verzweigung 46 stromabwärts des PM-Katalysators 30 und stromaufwärts des Dieselpartikelfilters 34, insbesondere stromaufwärts des Dosiermoduls 40, von dem Abgaskanal 44 der Abgasanlage 22 ab. Dabei kann bei einem ausreichenden Filterungsgrad des PM-Katalysators 30 und robusten Bauteilen in der Niederdruck-Abgasrückführung 50 sowie im Ansaugtrakt 60 der Abgasmassenstrom bereits vor der NOx-Reduktionsstufe auf der Beschichtung 38 des Dieselpartikelfilters 34 erfolgen. Dies reduziert die dort auftretenden Raumgeschwindigkeiten und kann den Konvertierungsgrad für Stickoxide an der SCR-Beschichtung 38 des Dieselpartikelfilters 34 erhöhen. Dies bietet den Vorteil, dass eine schnellere Erwärmung des Abgases nach einem Kaltstart erfolgen kann. Nachteilig ist dabei jedoch, dass der Rest-Partikelgehalt in dem über die Niederdruck-Abgasrückführung 50 zurückgeführten Abgas höher ist und somit zu einem erhöhten Verschleiß in der Niederdruck-Abgasrückführung 50 und im Ansaugtrakt 60, insbesondere am Verdichter 66 führt. Alternativ kann auch wie in 7 dargestellt nur ein erster, ungekühlter Teilstrom der Niederdruck-Abgasrückführung 50 stromabwärts des PM-Katalysators 30 und stromaufwärts des Dieselpartikelfilters 34 entnommen werden und ein zweiter gekühlter Teilstrom über eine zweite Niederdruck-Abgasrückführung 50 stromabwärts des Dieselpartikelfilters 34 entnommen und der Frischgasleitung 62 stromaufwärts des Verdichters 66 zugeführt werden.In 6 is another embodiment of an exhaust aftertreatment system 20 for an internal combustion engine 10 shown. With essentially the same structure as 1 listed branches the low-pressure exhaust gas recirculation 50 at a junction 46 downstream of the PM catalyst 30 and upstream of the diesel particulate filter 34 , in particular upstream of the metering module 40 , from the exhaust duct 44 the exhaust system 22 from. It can be at a sufficient degree of filtration of the PM-catalyst 30 and rugged components in low-pressure exhaust gas recirculation 50 as well as in the intake tract 60 the exhaust gas mass flow already before the NOx reduction stage on the coating 38 of the diesel particulate filter 34 respectively. This reduces the space velocities occurring there and can the degree of conversion for nitrogen oxides on the SCR coating 38 of the diesel particulate filter 34 increase. This offers the advantage that a faster heating of the exhaust gas can take place after a cold start. The disadvantage here, however, that the residual particle content in the on the low-pressure exhaust gas recirculation 50 recirculated exhaust gas is higher and thus to increased wear in the low-pressure exhaust gas recirculation 50 and in the intake tract 60 , in particular on the compressor 66 leads. Alternatively, as in 7 represented only a first, uncooled partial flow of the low-pressure exhaust gas recirculation 50 downstream of the PM catalyst 30 and upstream of the diesel particulate filter 34 be removed and a second cooled partial flow via a second low-pressure exhaust gas recirculation 50 downstream of the diesel particulate filter 34 removed and the fresh gas line 62 upstream of the compressor 66 be supplied.

In 8 ist der Temperaturverlauf in der Abgasanlage 22 an einem ersten Messpunkt T1 stromaufwärts des PM-Katalysators 30 und einem zweiten Messpunkt T2 stromabwärts des PM-Katalysators 30 während eines Fahrzyklus eines Kraftfahrzeuges dargestellt. Das Geschwindigkeitsprofil des Fahrzyklus ist ebenfalls in 8 dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass eine zur kontinuierlichen Regeneration des im PM-Katalysator zurückgehaltenen Rußes notwendige Mindesttemperatur Tmin von etwa 200°C schon bei relativ geringen Fahrgeschwindigkeiten v und Motorleistungen erreicht wird. Dabei erreicht oder überschreitet ein Mittelklassefahrzeug mit einem Gewicht von ca. 1600 kg und einem Luftwiderstandsbeiwert von ca. 0,25 - 0,3 sowie einer Stirnfläche von ca. 2,5 - 3 m2 im NEFZ-Zyklus bei Geschwindigkeiten von mehr als 50 km/h die zur Regeneration des PM-Katalysators notwendige Abgastemperatur von mehr als 200°C, sodass auch im Praxisbetrieb eine sichere Funktion des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 20 erzielt werden kann.In 8th is the temperature profile in the exhaust system 22 at a first measuring point T 1 upstream of the PM catalyst 30 and a second measuring point T 2 downstream of the PM catalyst 30 shown during a driving cycle of a motor vehicle. The speed profile of the drive cycle is also in 8th shown. It can be seen that a minimum temperature required for the continuous regeneration of the soot retained in the PM catalyst T min of about 200 ° C even at relatively low speeds v and engine performance is achieved. It reaches or exceeds a middle class vehicle with a weight of about 1600 kg and a drag coefficient of about 0.25 - 0.3 and a face of about 2.5 - 3 m 2 in the NEDC cycle at speeds of more than 50 km / h the necessary for the regeneration of the PM catalyst exhaust gas temperature of more than 200 ° C, so that even in practical operation a safe operation of the exhaust aftertreatment system according to the invention 20 can be achieved.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass durch ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem 20 auch bei vergleichsweise hohen Partikelrohemissionen eine effiziente Abgasnachbehandlung und eine Verlängerung der Regenerationsintervalle des Dieselpartikelfilters 34 möglich sind.In summary it can be stated that by an inventive exhaust aftertreatment system 20 Even with comparatively high particulate raw emissions, an efficient exhaust aftertreatment and an extension of the regeneration intervals of the diesel particulate filter 34 possible are.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Verbrennungsmotorinternal combustion engine
1212
Auslassoutlet
1414
Abgaskrümmerexhaust manifold
1616
Abgasturboladerturbocharger
1818
Turbine turbine
2020
Abgasnachbehandlungssystemaftertreatment system
2222
Abgasanlageexhaust system
2424
Oxidationskatalysator / StartkatalysatorOxidation Catalyst / Start Catalyst
2626
elektrisch beheizbarer Katalysatorelectrically heated catalyst
2828
Stützkatalysator supporting catalyst
3030
PM-KatalysatorPM catalyst
3232
Edelmetallbeschichtungnoble metal coating
3434
Dieselpartikelfilterdiesel particulate Filter
3636
SCR-KatalysatorSCR catalyst
3838
SCR-Beschichtung SCR coating
4040
Dosiermoduldosing
4242
Reduktionsmittelreducing agent
4444
Abgaskanalexhaust duct
4646
Verzweigungbranch
4848
Umlenkelement deflecting
5050
Niederdruck-AbgasrückführungLow-pressure exhaust gas recirculation
5252
AbgasrückführungskanalExhaust gas recirculation passage
5454
Einmündungjunction
5656
Niederdruck-Abgasrückführungs-KühlerLow-pressure exhaust gas recirculation cooler
5858
Ladeluftkühler Intercooler
6060
Ansaugtraktintake system
6262
FrischgasleitungFresh gas line
6464
Luftfilterair filter
6666
Verdichtercompressor
6868
Einlass inlet
7070
Unterbodenkanal Underbody channel
TT
Temperaturtemperature
T1 T 1
Temperatur stromaufwärts des PM-KatalysatorsTemperature upstream of the PM catalyst
T2 T 2
Temperatur stromabwärts des PM-KatalysatorsTemperature downstream of the PM catalyst
Tmin T min
Mindesttemperatur zur kontinuierlichen Regeneration des PM-KatalysatorsMinimum temperature for continuous regeneration of the PM catalyst
tt
ZeitTime

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 202014102809 U1 [0005]DE 202014102809 U1 [0005]
  • EP 2826971 A1 [0006]EP 2826971 A1 [0006]
  • EP 2907564 A1 [0007]EP 2907564 A1 [0007]

Claims (10)

Abgasnachbehandlungssystem (20) für einen Verbrennungsmotor (10), bei dem in einer Abgasanlage (22) des Verbrennungsmotors (10) stromabwärts eines Auslasses (12) des Verbrennungsmotors (10) eine Turbine (18) eines Abgasturboladers (16) und stromabwärts der Turbine (18) ein Dieselpartikelfilter (34) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Turbine (18) und stromaufwärts des Dieselpartikelfilters (34) ein PM-Katalysator (30) angeordnet ist.Aftertreatment system (20) for an internal combustion engine (10), in which in an exhaust system (22) of the internal combustion engine (10) downstream of an outlet (12) of the internal combustion engine (10), a turbine (18) of an exhaust gas turbocharger (16) and downstream of the turbine ( 18) a diesel particulate filter (34) are arranged, characterized in that downstream of the turbine (18) and upstream of the diesel particulate filter (34), a PM catalyst (30) is arranged. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dieselpartikelfilter (34) eine Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden (38) aufweist und in der Abgasanlage (22) stromabwärts des PM-Katalysators (30) und stromaufwärts des Dieselpartikelfilters (34) ein Dosiermodul (40) zur Eindosierung von Reduktionsmittel (42) in die Abgasanlage (22) vorgesehen ist.Exhaust after-treatment system (20) according to Claim 1 , characterized in that the diesel particulate filter (34) has a coating for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides (38) and in the exhaust system (22) downstream of the PM catalyst (30) and upstream of the diesel particulate filter (34) is a metering module (40) for the metering of reducing agent (42) in the exhaust system (22) is provided. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Dieselpartikelfilter (34) ein SCR-Katalysator (36) vorgeschaltet ist, welcher in der Abgasanlage (22) stromabwärts des PM-Katalysators (30) und eines Dosiermoduls (40) zur Eindosierung von Reduktionsmittel (42) in die Abgasanlage (22) angeordnet ist.Exhaust after-treatment system (20) according to Claim 1 , characterized in that the diesel particulate filter (34) upstream of an SCR catalyst (36) which in the exhaust system (22) downstream of the PM catalyst (30) and a metering module (40) for metering reducing agent (42) in the Exhaust system (22) is arranged. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der PM-Katalysator (30) eine Edelmetallbeschichtung (32) zur Oxidation von Kohlenmonoxid und/oder unverbrannten Kohlenwasserstoffen aufweist.Exhaust after-treatment system (20) according to Claim 1 or 2 , characterized in that the PM catalyst (30) comprises a noble metal coating (32) for the oxidation of carbon monoxide and / or unburned hydrocarbons. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Edelmetallbeschichtung (32) einen Edelmetallgehalt von 30 - 250 g/ft3 aufweist, wobei die Edelmetallbeschichtung (32) einen Platinanteil von mindestens 40 % hat.Exhaust after-treatment system (20) according to Claim 3 , characterized in that the noble metal coating (32) has a noble metal content of 30 - 250 g / ft 3 , wherein the noble metal coating (32) has a platinum content of at least 40%. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem PM-Katalysator (30) ein Oxidationskatalysator (24) vorgeschaltet oder dem PM-Katalysator (30) ein elektrisch beheizbarer Katalysator (26) vorgeschaltet oder nachgeschaltet ist.Exhaust after-treatment system (20) according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the PM catalyst (30) upstream of an oxidation catalyst (24) or the PM catalyst (30) upstream of an electrically heatable catalyst (26) or downstream. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Niederdruck-Abgasrückführung (50) vorgesehen ist, wobei ein Abgasrückführungskanal (52) der Niederdruck-Abgasrückführung (50) stromabwärts des PM-Katalysators (30) und stromaufwärts des Dieselpartikelfilters (34) aus einem Abgaskanal (44) der Abgasanlage (22) abzweigt.Exhaust after-treatment system (20) according to one of Claims 1 to 6 characterized in that a low pressure exhaust gas recirculation (50) is provided, wherein an exhaust gas recirculation passage (52) of the low pressure exhaust gas recirculation (50) downstream of the PM catalyst (30) and upstream of the diesel particulate filter (34) from an exhaust passage (44) of the Exhaust system (22) branches off. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Niederdruck-Abgasrückführung (50) vorgesehen ist, wobei ein erster Abgasrückführungskanal (52) der Niederdruckabgasrückführung stromabwärts des PM-Katalysators (30) und stromaufwärts des Dieselpartikelfilters (34) aus einem Abgaskanal (44) der Abgasanlage (22) abzweigt und ein zweiter Abgasrückführungskanal (52) der Niederdruck-Abgasrückführung (50) stromabwärts des Dieselpartikelfilters (34) aus dem Abgaskanal (44) der Abgasanlage (22) abzweigt und stromaufwärts eines Verdichters (66) eines Abgasturboladers (16) in eine Frischgasleitung (62) mündet, wobei in dem zweiten Abgasrückführungskanal (52) ein Niederdruck-Abgasrückführungskühler (56) angeordnet ist.Exhaust after-treatment system (20) according to one of Claims 1 to 7 characterized in that a low pressure exhaust gas recirculation (50) is provided, wherein a first exhaust gas recirculation passage (52) of the low pressure exhaust gas recirculation downstream of the PM catalyst (30) and upstream of the diesel particulate filter (34) from an exhaust passage (44) of the exhaust system (22). branches off and a second exhaust gas recirculation passage (52) of the low pressure exhaust gas recirculation (50) downstream of the diesel particulate filter (34) from the exhaust passage (44) of the exhaust system (22) branches off and upstream of a compressor (66) of an exhaust gas turbocharger (16) in a fresh gas line (62 ), wherein in the second exhaust gas recirculation passage (52), a low-pressure exhaust gas recirculation cooler (56) is arranged. Abgasnachbehandlungssystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der PM-Katalysator (30) mit einer Abgaslauflänge (L) von weniger als 400 mm ab einem Turbinenaustritt der Turbine (18) des Abgasturboladers (16) in der Abgasanlage (22) angeordnet ist.Exhaust after-treatment system (20) according to one of Claims 1 to 8th , characterized in that the PM catalyst (30) with an exhaust gas flow length (L) of less than 400 mm from a turbine outlet of the turbine (18) of the exhaust gas turbocharger (16) in the exhaust system (22) is arranged. Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10), wobei ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10) durch eine Turbine (18) eines Abgasturboladers geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom stromabwärts der Turbine (18) zunächst durch einen motornah angeordneten PM-Katalysator (30) und anschließend durch einen stromabwärts des PM-Katalysators (30) angeordneten Dieselpartikelfilter (34) geleitet wird.A method for exhaust aftertreatment of an internal combustion engine (10), wherein an exhaust gas stream of the internal combustion engine (10) is passed through a turbine (18) of an exhaust gas turbocharger, characterized in that the exhaust gas stream downstream of the turbine (18) initially by a PM catalyst arranged close to the engine (30 ) and then passed through a diesel particulate filter (34) disposed downstream of the PM catalyst (30).
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