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DE102019123453A1 - Abgasnachbehandlungssystem und Verfahren zum Temperaturmanagement eines SCR-Katalysators in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Abgasnachbehandlungssystem und Verfahren zum Temperaturmanagement eines SCR-Katalysators in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors Download PDF

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DE102019123453A1
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DE
Germany
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exhaust gas
catalytic converter
exhaust
temperature
downstream
Prior art date
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English (en)
Inventor
Elmar Böckmann
Oliver Holthoff
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor (10). In einer Abgasanlage (40) des Abgasnachbehandlungssystems sind in Strömungsrichtung ein erster Katalysator (46, 94), stromabwärts des ersten Katalysators (46, 94) ein Partikelfilter (48) und stromabwärts des Partikelfilters (48) mindestens ein SCR-Katalysator (56) angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters (48) und stromaufwärts des SCR-Katalysators (56) zweigt eine Abgasrückführungsleitung (76) aus einem Abgaskanal (42) der Abgasanlage ab. Stromabwärts der Verzweigung (66) und stromaufwärts des SCR-Katalysators (56) ist eine Abgasklappe (62) angeordnet. In der Abgasrückführungsleitung (76) sind Mittel (72, 92) zur Reduzierung der Abgastemperatur (TEG) angeordnet.Es ist vorgesehen, dass eine weitere Abgasleitung (82) die Abgasrückführungsleitung (76) stromabwärts der Mittel (72, 92) zur Reduzierung der Abgastemperatur (TEG) mit dem Abgaskanal (42) stromabwärts der Abgasklappe (62) und stromaufwärts des SCR-Katalysators (56) verbindet.Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Temperaturmanagement eines SCR-Katalysators (56) in einem solchen Abgasnachbehandlungssystem.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zum Temperaturmanagement eines SCR-Katalysators in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
  • 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 StickoxidEmissionen eine Herausforderung für die Motorenentwickler dar. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Weise über einen Drei-Wege-Katalysator, sowie dem Drei-Wege-Katalysator vor- und nachgeschaltete weitere Katalysatoren. Bei Dieselmotoren finden aktuell Abgasnachbehandlungssysteme Verwendung, welche einen Oxidationskatalysator, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren aufweisen. Als Reduktionsmittel wird dabei bevorzugt Ammoniak verwendet. Weil der Umgang mit reinem Ammoniak aufwendig ist, wird bei Fahrzeugen üblicherweise eine synthetische, wässrige Harnstofflösung verwendet, welche mit dem heißen Abgasstrom des Verbrennungsmotors vermischt wird. Durch diese Vermischung wird die wässrige Harnstofflösung erhitzt, wobei die wässrige Harnstofflösung Ammoniak im Abgaskanal freisetzt. Eine handelsübliche, wässrige Harnstofflösung setzt sich im Allgemeinen aus 32,5 % Harnstoff und 67,5 % Wasser zusammen.
  • Zur Einhaltung strengster Abgasnormen sind neben einer stetigen Minderung der Rohemissionen immer höhere Konvertierungsraten des Abgasnachbehandlungssystems erforderlich. Bezüglich der Stickoxidemissionen bei mager laufenden Verbrennungsmotoren, insbesondere bei mager laufenden Dieselmotoren oder Otto-Magermotoren, sind somit zusätzliche Katalysatoren notwendig, um die bei der Verbrennung auftretenden Stickoxide zu konvertieren. Aus dem Stand der Technik sind sogenannte Twin-Dosing-Systeme bekannt, mit welchen in Abhängigkeit der Temperatur und/oder der Leistung des Verbrennungsmotors an zwei unterschiedlichen Stellen Harnstofflösung in den Abgaskanal eindosiert werden kann. Dabei ist vorzugsweise der SCR-Katalysator als SCR-beschichteter Partikelfilter ausgeführt. Nachteilig an einer solchen Lösung ist jedoch, dass der Partikelfilter mit der SCR-Beschichtung zur Regeneration eine Temperatur benötigt, welche oberhalb der Temperatur zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden liegt. Somit ist die SCR-Funktion des Partikelfilters während der Regeneration eingeschränkt. Hohe Abgastemperaturen führen zudem zu einer Alterung von SCR-Katalysatoren, woraus eine Abnahme der Konvertierungsleistung über die Lebensdauer des SCR-Katalysators resultiert.
  • Die DE 11 2009 000 968 T5 offenbart ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, bei welchem stromabwärts eines Partikelfilters ein SCR-Katalysator und weiter stromabwärts ein Ammoniak-Sperrkatalysator vorgesehen sind. Dabei erfolgt eine Eindosierung eines Reduktionsmittels stromabwärts des Partikelfilters und stromaufwärts des SCR-Katalysators. Bei einer Überdosierung von Reduktionsmittel wird das aus dem Reduktionsmittel gewonnene Ammoniak durch den Ammoniak-Sperrkatalysator zurückgehalten beziehungsweise in molekularen Stickstoff und Wasserdampf konvertiert, um Ammoniakemissionen zu vermeiden.
  • Aus der DE 10 2010 042 271 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Temperaturmanagement in einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors bekannt. Dabei ist im Abgaskanal oder an der Abgasreinigungsanlage mindestens ein thermoelektrischer Generator angeordnet. Es ist vorgesehen, dass der thermoelektrische Generator in das Temperaturmanagement der Abgasreinigungsanlage einbezogen wird, wobei die erzielbare Heiz- oder Kühlleistung des thermoelektrischen Generators sowie die Kühlleistung seiner Zusatzkomponenten zur Kühlung des thermoelektrischen Generators bei der Steuerung des Abgasstroms im Abgaskanal oder zur Steuerung der Abgasreinigungsanlage berücksichtigt werden.
  • Aus der DE 10 2017 214 572 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem bekannt, bei dem in Strömungsrichtung eines Abgases durch eine Abgasanlage des Verbrennungsmotors ein Oxidationskatalysator, stromabwärts des Oxidationskatalysators ein Niedertemperatur-Stickoxid-Speicherkatalysator und weiter stromabwärts ein Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung angeordnet sind.
  • Die DE 10 2017 125 974 A1 offenbart ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Dieselmotor mit einem Oxidationskatalysator und einem stromabwärts des Oxidationskatalysators angeordneten Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, wobei für den Oxidationskatalysator ein Bypass vorgesehen ist und wobei in der Abgasanlage eine Kühlvorrichtung vorgesehen ist, mit welcher der Abgasstrom vor Eintritt in den Oxidationskatalysator gekühlt werden kann.
  • Nachteilig an den bekannten Lösungen zur Temperierung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors ist jedoch, dass sie vergleichsweise komplex sind und zusätzliche Bauteile erfordern, welche zu deutlichen Mehrkosten für das Abgasnachbehandlungssystem führen.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors einfach und kostengünstig zu verbessern und insbesondere die Konvertierungsleistung bezüglich Stickoxidemissionen weiter zu optimieren.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, umfassend eine Abgasanlage mit einem ersten Abgaskanal, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors durch den Abgaskanal ein erster Katalysator, insbesondere ein Oxidationskatalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator, angeordnet ist, gelöst. Stromabwärts des ersten Katalysators sind ein Partikelfilter, insbesondere ein Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden und stromabwärts des Partikelfilters mindestens ein SCR-Katalysator angeordnet, wobei stromabwärts des Partikelfilters und stromaufwärts des SCR-Katalysators an einer Verzweigung eine Abgasrückführungsleitung einer Niederdruckabgasrückführung aus dem Abgaskanal abzweigt. Dabei ist stromabwärts der Verzweigung und stromaufwärts des SCR-Katalysators eine Abgasklappe angeordnet, mit welcher der Abgaskanal zumindest teilweise versperrt werden kann. In der Abgasrückführungsleitung sind Mittel zur Reduzierung der Abgastemperatur des über die Niederdruckabgasrückführung zurückgeführten Abgasstroms angeordnet. Erfindungsgemäß ist eine weitere Abgasleitung vorgesehen, welche die Abgasrückführungsleitung stromabwärts der Mittel zur Reduzierung der Abgastemperatur mit dem Abgaskanal stromabwärts der Abgasklappe und stromaufwärts des SCR-Katalysators verbindet.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Merkmale sind vorteilhafte Weiterentwicklungen und nicht triviale Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Abgasnachbehandlungssystems möglich.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der weiteren Abgasleitung eine zweite Abgasklappe angeordnet ist, mit welcher ein Abgasstrom durch die weitere Abgasleitung steuerbar ist. Somit kann die Kühlleistung über den Abgasstrom reguliert werden, sodass der SCR-Katalysator stets mit einer für die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden optimalen Temperatur betrieben wird. Dadurch lässt sich die Konvertierungsleistung des SCR-Katalysators verbessern und/oder der Reduktionsmitteleinsatz reduzieren.
  • Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass in der Abgasrückführungsleitung stromabwärts einer Verzweigung, an welcher die weitere Abgasleitung aus der Abgasrückführungsleitung abzweigt, ein Abgasrückführungsventil angeordnet ist. Durch das Schließen des Abgasrückführungsventils kann der Abgasstrom durch den weiteren Abgaskanal ebenfalls gesteuert werden.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Mittel zur Reduzierung der Abgastemperatur eine Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung umfassen. Durch eine Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung kann sowohl die Temperatur des Abgasstroms reduziert werden, und die über das Kühlmedium aufgenommene Energie gegebenenfalls anderweitig vorteilhaft genutzt werden. Dadurch können der Verbrennungsmotor oder Nebenaggregate des Verbrennungsmotors angetrieben werden, wodurch sich der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors erhöht und der Kraftstoffverbrauch sinkt.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass in dem Abgasrückführungskanal stromabwärts der Verzweigung und stromaufwärts der Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung ein Filter angeordnet ist. Der Filter dient primär dazu, Partikel aus dem zurückgeführten Abgas zu filtern, welche durch das Herausbrechen von Teilen des Monolithen des Filterkörpers des Partikelfilters entstehen können. Diese Partikel könnten ansonsten den Verdichter des Abgasturboladers beschädigen, wenn sie über die NiederdruckAbgasrückführung in den Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors gelangen würden. Durch das Vorschalten des Filters vor die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung kann zudem verhindert werden, dass sich eine Rußschicht auf der Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung ablagert und somit die Funktion einschränkt. Dadurch wird die Dauerhaltbarkeit und/oder der Wirkungsgrad der Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung erhöht.
  • Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Mittel zur Reduzierung der Abgastemperatur einen Abgasrückführungskühler umfassen. Durch einen Abgasrückführungskühler kann sowohl der über die Niederdruckabgasrückführung zurückgeführte Abgasstrom als auch der dem SCR-Katalysator zugeführte Abgasstrom temperiert werden. Dadurch können die Rohemissionen des Verbrennungsmotors gesenkt werden und die Effizienz des SCR-Katalysators, insbesondere bei hohen Abgastemperaturen, verbessert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass der erste Katalysator als Oxidationskatalysator oder als NOx-Speicherkatalysator ausgeführt ist, wobei dem ersten Katalysator ein Heizelement vorgeschaltet ist, über welches der erste Katalysator im Wesentlichen unabhängig vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors beheizbar ist.
  • Durch das Heizelement können der erste Katalysator sowie die stromabwärts des ersten Katalysators angeordneten weiteren Abgasnachbehandlungskomponenten im Wesentlichen unabhängig vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors auf ihre Light-Off-Temperatur aufgeheizt werden. Unter „im Wesentlichen unabhängig vom Abgasstrom“ ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass das Abgas zwar als Trägerstrom zur konvektiven Wärmeübertragung von dem Heizelement auf die entsprechende Abgasnachbehandlungskomponente genutzt wird, die zum Heizen genutzte Energie jedoch primär aus dem Heizelement und nicht oder nur zu geringem Anteil aus dem Abgas des Verbrennungsmotors stammt. Ein Trägerstrom kann notwendig sein, um bei einem elektrischen Heizelement eine punktuelle Überhitzung und somit ein Abschalten oder eine thermische Schädigung des elektrischen Heizelements zu verhindern. Bei einem Heizelement in Form eines Abgasbrenners bildet das Abgas des Brenners selbst den Trägerstrom aus.
  • Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das Heizelement als ein elektrisch beheizbares Heizelement, insbesondere als eine elektrische Heizscheibe, ausgebildet ist. Durch ein elektrisches Heizelement kann auf einen zusätzlichen Abgasbrenner verzichtet werden, wodurch die Kosten für einen solchen Brenner vermieden werden. Zudem sind keine zusätzlichen Leitungen für eine Brennstoffversorgung des Abgasbrenners notwendig. Ein elektrisches Heizelement kann über vergleichsweise einfache elektrische Leitungen angeschlossen werden. Ein elektrisches Heizelement in Form einer dem Partikelfilter vorgeschalteten Heizscheibe oder eines elektrisch beheizbaren Filtersubstrats kann zudem die Regeneration des Partikelfilters unterstützen, sodass in diesem Falle weniger oder kürzere motorische Heizmaßnahmen möglich sind, um die Regeneration des Partikelfilters einzuleiten.
  • Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Heizelement in Form eines Abgasbrenners ausgebildet ist. Da der Abgasbrenner mit seinem Abgas selbst einen Trägerstrom ausbildet, ist eine besonders einfache und wirkungsvolle konvektive Wärmeübertragung auf die entsprechenden Komponenten der Abgasnachbehandlung, insbesondere des ersten Katalysators, möglich.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass der erste Katalysator als NOx-Speicherkatalysator ausgeführt ist. Ein NOx-Speicherkatalysator kann ab etwa 90 - 100°C Stickoxide zurückhalten und benötigt damit geringere Temperaturen als ein SCR-Katalysator. Somit kann ein NOx-Speicherkatalysator in vergleichsweise kurzer Zeit auf seine Betriebstemperatur aufgeheizt werden. Durch die Anordnung des NOx-Speicherkatalysators stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden erwärmt er sich schnell nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors. Somit ist sichergestellt, dass der NOx-Speicherkatalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat und Stickoxide wirksam zurückhalten kann, solange der Partikelfilter mit der SCR-Beschichtung oder der SCR-Katalysator noch nicht ihre Light-Off-Temperatur erreicht haben.
  • Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass der erste Katalysator als Oxidationskatalysator ausgeführt ist. Durch einen Oxidationskatalysator ist die exotherme Umsetzung von unverbrannten Kraftstoffbestandteilen möglich. Durch diese exotherme Umsetzung kann das Aufheizen der SCR-Beschichtung auf dem Partikelfilter oder des SCR-Katalysators unterstützt werden, damit der SCR-Katalysator seine Light-Off-Temperatur erreicht, bevor der NOx-Speicherkatalysator seine obere Grenztemperatur erreicht und die eingelagerten Stickoxide desorbieren. Somit ist sichergestellt, dass zu jedem Zeitpunkt zumindest eine der NOxreduzierenden Abgasnachbehandlungskomponenten ihre Betriebstemperatur erreicht hat und Stickoxidemissionen wirksam verringert werden können.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Temperaturmanagement eines SCR-Katalysators in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem vorgeschlagen, wobei eine Temperatur des Abgasstroms des Verbrennungsmotors ermittelt wird und die ermittelte Temperatur mit einer oberen Schwellentemperatur für den SCR-Katalysator verglichen wird, wobei bei einem Überschreiten der oberen Schwellentemperatur die Abgasklappe zumindest anteilig geschlossen wird und zumindest ein Abgasteilstrom über die Mittel zur Reduzierung der Abgastemperatur und die weitere Abgasleitung in den Abgaskanal stromaufwärts des SCR-Katalysators geleitet wird. Dadurch kann verhindert werden, dass Stickoxidemissionen aufgrund von zu hohen Abgastemperaturen nicht mehr effektiv durch die selektive, katalytische Reduktion konvertiert werden können. Solche Abgastemperaturen treten beispielsweise bei einem Volllastbetrieb des Verbrennungsmotors oder bei der Regeneration des Partikelfilters auf. In diesen Betriebssituationen kann durch die Mittel zur Reduzierung der Abgastemperatur der Abgasstrom vor Eintritt in den SCR-Katalysator soweit abgekühlt werden, dass eine obere Schwellentemperatur für die selektive, katalytische Reduktion nicht überschritten wird und eine effiziente Konvertierung von Stickoxiden in allen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors möglich ist.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Abgasstrom bei einer Regeneration des Partikelfilters ganz oder teilweise über die Abgasrückführungsleitung geleitet wird, durch die Mittel zur Reduzierung der Abgastemperatur gekühlt und der gekühlte Abgasstrom durch die weitere Abgasleitung dem SCR-Katalysator zugeführt wird. Zur Regeneration des Partikelfilters werden besonders hohe Abgastemperaturen von mehr als 600°C benötigt, um die im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußpartikel oxidieren und den Partikelfilter somit regenerieren zu können. Während der Regeneration ist ein Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung nicht in der Lage, die Stickoxide im Abgas des Verbrennungsmotors mittels selektiver katalytischer Reduktion effektiv zu konvertieren. Während der Regeneration des Partikelfilters werden die Stickoxide somit ausschließlich durch den SCR-Katalysator konvertiert. Um eine thermische Zersetzung des Reduktionsmittels zu vermeiden und zu verhindern, dass die im SCR-Katalysator eingespeicherten Stickoxide desorbieren, ist die Kühlung des Abgasstroms während der Regeneration des Partikelfilters besonders effektiv, um einen Anstieg der Endrohremissionen, insbesondere der Stickoxidemissionen, zu vermeiden.
  • Besonders bevorzugt ist dabei, wenn vor dem Einleiten einer Regeneration des Partikelfilters der Abgasstrom durch die Mittel zur Reduzierung der Abgastemperatur geleitet wird, sodass der SCR-Katalysator zu Beginn der Regeneration des Partikelfilters auf eine untere Schwellentemperatur abgekühlt wird. Wird der SCR-Katalysator vor dem Einleiten eines Regenerationsvorgangs des Partikelfilters derart konditioniert, dass er diese untere Schwellentemperatur erreicht, so führt die Erwärmung des Abgasstroms zur Regeneration des Partikelfilters dazu, dass sich der SCR-Katalysator zwar langsam erwärmt, aber möglichst lange in einem zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden notwendigen Temperaturbereich gehalten werden kann. Somit kann die Effizienz der Abgasnachbehandlung durch den SCR-Katalysator verbessert werden.
  • In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der erste Katalysator elektrisch beheizt wird, wenn die Abgastemperatur einen unteren Schwellenwert für den SCR-Katalysator unterschreitet. Durch ein elektrisches Beheizen des ersten Katalysators kann verhindert werden, dass der SCR-Katalysator und der Partikelfilter mit der SCR-Beschichtung beide unter eine zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden notwendige untere Schwellentemperatur auskühlt. Somit ist sichergestellt, dass zumindest eine Abgaskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden in dem zur Konvertierung notwendigen Temperaturbereich gehalten werden kann und die Stickoxide effizient konvertiert werden.
  • Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • 1 einen Verbrennungsmotor mit einem Luftversorgungssystem und einer Abgasanlage mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem;
    • 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Verbrennungsmotor mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem; und
    • 3 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Temperaturmanagement eines SCR-Katalysators in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem.
  • 1 zeigt die schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 10 mit einem Luftversorgungssystem 20 und einer Abgasanlage 40. Der Verbrennungsmotor 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein direkteinspritzender Dieselmotor und weist mehrere Brennräume 12 auf. An den Brennräumen 12 ist jeweils ein Kraftstoffinjektor 14 zur Einspritzung eines Kraftstoffes in den jeweiligen Brennraum 12 angeordnet. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Einlass 16 mit einem Luftversorgungssystem 20 und mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 40 verbunden. Der Verbrennungsmotor 10 umfasst ferner eine HochdruckAbgasrückführung 36 mit einem Hochdruckabgasrückführungsventil 38, über welches ein Abgasteilstrom des Verbrennungsmotors 10 von dem Auslass 18 zum Einlass 16 zurückgeführt werden kann. An den Brennräumen 12 sind Einlassventile und Auslassventile angeordnet, mit welchen eine fluidische Verbindung vom Luftversorgungssystem 20 zu den Brennräumen 12 oder von den Brennräumen 12 zur Abgasanlage 40 geöffnet oder verschlossen werden kann.
  • Das Luftversorgungssystem 20 umfasst einen Ansaugkanal 28, in welchem in Strömungsrichtung von Frischluft durch den Ansaugkanal 28 ein Luftfilter 22, stromabwärts des Luftfilters 22 ein Luftmassenmesser 24, insbesondere ein Heißfilmluftmassenmesser, stromabwärts des Luftmassenmessers 24 ein Verdichter 26 eines Abgasturboladers 86, stromabwärts des Verdichters 26 eine Drosselklappe 30 und weiter stromabwärts ein Ladeluftkühler 32 angeordnet sind. Dabei kann der Luftmassenmesser 24 auch in einem Filtergehäuse des Luftfilters 22 angeordnet sein, sodass der Luftfilter 22 und der Luftmassenmesser 24 eine Baugruppe ausbildet. Stromabwärts des Luftfilters 22 und stromaufwärts des Verdichters 26 ist eine Einmündung 34 vorgesehen, an welcher eine Abgasrückführungsleitung 76 einer Niederdruckabgasrückführung 70 in den Ansaugkanal 28 mündet.
  • Die Abgasanlage 40 umfasst einen ersten Abgaskanal 42, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den ersten Abgaskanal 42 eine Turbine 44 des Abgasturboladers 86 angeordnet ist, welche den Verdichter 26 im Luftversorgungssystem 20 über eine Welle antreibt. Der Abgasturbolader 86 ist vorzugsweise als Abgasturbolader 86 mit variabler Turbinengeometrie ausgeführt. Dazu sind einem Turbinenrad der Turbine 44 verstellbare Leitschaufeln vorgeschaltet, über welche die Anströmung des Abgases auf die Schaufeln der Turbine 44 variiert werden kann. Stromabwärts der Turbine 44 sind mehrere Abgasnachbehandlungskomponenten 46, 48, 52, 56, 58 vorgesehen. Dabei ist unmittelbar stromabwärts der Turbine 44 als erste Komponente der Abgasnachbehandlung ein Oxidationskatalysator 46 angeordnet. Dem Oxidationskatalysator 46 ist ein Heizelement 96, insbesondere ein elektrisch beheizbarer Katalysator, besonders bevorzugt in Form einer elektrischen Heizscheibe, vorgeschaltet. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 46 ist ein Partikelfilter 48 mit einer Beschichtung 52 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 48 ist ein weiterer SCR-Katalysator 56 angeordnet. Dem SCR-Katalysator 56 ist ein weiterer Oxidationskatalysator 58 oder ein Ammoniaksperrkatalysator 60 nachgeschaltet. Stromabwärts des Partikelfilters 48 und stromaufwärts des weiteren SCR-Katalysators 56 ist in dem ersten Abgaskanal 42 eine Abgasklappe 62 vorgesehen, mit welcher der Querschnitt des ersten Abgaskanals 42 zumindest teilweise versperrt werden kann, um den Abgasgegendruck im ersten Abgaskanal 42 zu erhöhen, wenn die Abgasklappe 84 geschlossen ist. Stromabwärts des Partikelfilters 52 und stromaufwärts der Abgasklappe 62 ist am ersten Abgaskanal 42 eine Verzweigung 66 vorgesehen, an welcher eine Abgasrückführungsleitung 76 einer Niederdruckabgasrückführung 70 aus dem ersten Abgaskanal 42 abzweigt. Alternativ zu dem Oxidationskatalysator 46 kann der erste Katalysator auch als NOx-Speicherkatalysator 94 ausgeführt sein. Ferner können anstelle des Partikelfilters 48 mit der SCR-Beschichtung 52 ein SCR-Katalysator 56 und ein unbeschichteter Partikelfilter 48 oder ein Partikelfilter 48 mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung vorgesehen sein.
  • Die Abgasrückführung 70 umfasst neben der Abgasrückführungsleitung 76 einen Abgasrückführungskühler 72 und ein Abgasrückführungsventil 74, über welches die Abgasrückführungsrate durch die Abgasrückführungsleitung 76 steuerbar ist. An der Abgasrückführungsleitung 76 der Niederdruckabgasrückführung 70 kann ein weiterer Temperatursensor 64 vorgesehen sein, über welchen eine Abgastemperatur TEG in der Niederdruckabgasrückführung 70 ermittelt werden kann, um die Abgasrückführung 70 zu aktivieren, sobald die Abgastemperatur in der Abgasrückführung 70 einen definierten Schwellenwert überschritten hat. Somit kann verhindert werden, dass Wasserdampf oder im Abgas enthaltenes Reduktionsmittel zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere flüssige Harnstofflösung, auskondensiert und in der Niederdruckabgasrückführung 70 oder im Luftversorgungssystem 20 zu Beschädigungen oder Ablagerungen führt. Stromabwärts der Verzweigung 66 und stromaufwärts des Abgasrückführungskühlers 72 ist ein Filter 78 vorgesehen, um den Eintrag von Partikeln in die Niederdruckabgasrückführung 70 zu minimieren. Stromabwärts des Abgasrückführungskühlers 72 ist eine zweite Verzweigung 80 ausgebildet, an welcher eine weitere Abgasleitung 82 aus dem Abgasrückführungskanal 76 abzweigt und den Abgasrückführungskanal 76 mit dem ersten Abgaskanal 42 stromabwärts der Abgasklappe 62 verbindet. An einer Einmündung 68 mündet die weitere Abgasleitung 82 wieder in den ersten Abgaskanal 42. In der weiteren Abgasleitung 82 ist ein zweites Steuerelement in Form einer zweiten Abgasklappe 84 vorgesehen, mit welcher die weitere Abgasleitung 82 geöffnet und geschlossen werden kann. Alternativ kann das zweite Steuerelement auch als Drosselklappe ausgebildet sein, um den Querschnitt der weiteren Abgasleitung 82 variabel zu vergrößern oder verkleinern oder den Massenstrom über 82 komplett zu unterbinden.
  • In der Abgasanlage 40 ist ein Temperatursensor 64 vorgesehen, mit welchem eine Abgastemperatur in der Abgasanlage 40 überwacht werden kann, um eine effektive und effiziente Abgasnachbehandlung des Abgases des Verbrennungsmotors 10 zu ermöglichen. Ferner sind Differenzdrucksensoren vorgesehen, um eine Druckdifferenz über dem Partikelfilter 48 zu bestimmen. Auf diese Weise kann der Beladungszustand des Partikelfilters 48 ermittelt und bei Überschreiten eines definierten Beladungsniveaus eine Regeneration des Partikelfilters 48 eingeleitet werden. Ferner ist am ersten Abgaskanal 42 ein erstes Dosierventil 50 vorgesehen, um ein Reduktionsmittel, insbesondere wässrige Harnstofflösung, stromaufwärts des Partikelfilters 48 mit der SCR-Beschichtung 52 in den ersten Abgaskanal 42 einzudosieren. Ferner ist ein zweites Dosierventil 54 vorgesehen, um stromabwärts der Einmündung 68 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 56 Reduktionsmittel in den ersten Abgaskanal 42 einzudosieren. Stromabwärts des ersten Dosierventils 50 und stromaufwärts des Partikelfilters 48 mit der SCR-Beschichtung 52 kann im ersten Abgaskanal 42 ein Abgasmischer 88 vorgesehen sein, um eine verbesserte Durchmischung des Abgasstroms des Verbrennungsmotors 10 mit dem eindosierten Reduktionsmittel zu erreichen. Stromabwärts des zweiten Dosierventils 54 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 56 kann ebenfalls ein Abgasmischer 88 vorgesehen werden.
  • Der Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Motorsteuergerät 90 verbunden, welches über nicht dargestellte Signalleitungen mit den Temperatursensoren 64, den Kraftstoffinjektoren 14 des Verbrennungsmotors 10 und den Dosierventilen 50, 54 sowie den Abgasklappen 62, 84 verbunden ist.
  • In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, ist in diesem Ausführungsbeispiel anstelle eines Abgasrückführungskühlers 72 in der Niederdruckabgasrückführung 70 eine Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung 92 vorgesehen. Ferner ist in diesem Ausführungsbeispiel als erster Katalysator 46, 94 ein NOx-Speicherkatalysator 94 zusätzlich zum Oxidationskatalysator 46 vorgesehen. Alternativ kann dieser NOx-Speicherkatalysator 94 auch in den Oxidationskatalysator 46 integriert werden oder entfallen.
  • Im Betrieb des Verbrennungsmotors 10 wird der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 durch die Abgasnachbehandlungskomponenten 46, 48, 52, 56, 58 gereinigt. In einem Verfahrensschritt <100> wird geprüft, ob eine Regeneration des Partikelfilter 48 notwendig ist. Dies kann beispielsweise durch eine Differenzdruckmessung über den Partikelfilter 48 oder durch eine Modellierung des Partikeleintrags und Partikelaustrags in den Partikelfilter 48 erfolgen. Wird dabei festgestellt, dass eine Regeneration des Partikelfilters 48 notwendig ist, wird in einem Verfahrensschritt <110> eine Abgastemperatur TEG im Abgaskanal 42 und/oder die Bauteiltemperatur des SCR-Katalysators 56 ermittelt. Liegt die Temperatur des SCR-Katalysators 56 oberhalb einer unteren Schwellentemperatur TSU , wird in einem Verfahrensschritt <120> die Abgasklappe 62 im Abgaskanal 42 geschlossen und zumindest ein Abgasteilstrom über den Abgasrückführungskühler 72 oder die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung 92 geleitet, wodurch sich der Abgasteilstrom abkühlt. Ferner wird die zweite Abgasklappe 84 geöffnet, um die Abgasrückführungsleitung 76 über die weitere Abgasleitung 82 mit dem ersten Abgaskanal 42 zu verbinden.
  • Hat der SCR-Katalysator 56 seine untere Schwellentemperatur TSU erreicht oder ist in der aktuellen Betriebssituation des Verbrennungsmotors 10 ein weiteres Abkühlen des SCR-Katalysators 56 nicht mehr möglich, so wird in einem Verfahrensschritt <130> die Regeneration des Partikelfilters 48 eingeleitet. Dazu wird der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 durch innermotorische Heizmaßnahmen und/oder durch das Heizelement 96 derart aufgeheizt, dass eine zur Oxidation der im Partikelfilter 48 zurückgehaltenen Rußpartikel notwendige Regenerationstemperatur erreicht wird. Dabei wird der Abgasstrom weiterhin über den Abgasrückführungskühler 72 oder die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung 92 geleitet, um den Wärmeeintrag in den SCR-Katalysator 56 zu minimieren. Dabei erfolgt die Eindosierung des Reduktionsmittels während der Regeneration des Partikelfilters 48 in einem Verfahrensschritt <140> ausschließlich durch das zweite Dosierventil 54, um eine thermische Zersetzung des Reduktionsmittels bei der Regeneration des Partikelfilters 48 zu vermeiden. Auf diese Art und Weise kann der Zeitraum maximiert werden, in dem die Temperatur des SCR-Katalysators 56 während der Regeneration des Partikelfilters 48 unterhalb einer oberen Schwellentemperatur TSO liegt, sodass eine effiziente Konvertierung der Stickoxidemissionen während der Regeneration des Partikelfilters 48 durch den SCR-Katalysator 56 möglich ist. Ist die Regeneration des Partikelfilters 48 abgeschlossen, werden in einem Verfahrensschritt <150> die Heizmaßnahmen beendet und die Abgasklappe 62 im ersten Abgaskanal 42 wieder geöffnet. Dabei erfolgt die Eindosierung des Reduktionsmittels in Abhängigkeit des Abgasvolumens und der Abgastemperatur TEG wahlweise durch das erste Dosierventil 50, das zweite Dosierventil 54 oder beide Dosierventile 50, 54, um eine effiziente Konvertierung der Stickoxidemissionen durch zumindest eine Abgasnachbehandlungskomponente 48, 52, 56 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden zu gewährleisten.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Verbrennungsmotor
    12
    Brennraum
    14
    Kraftstoffinjektor
    16
    Einlass
    18
    Auslass
    20
    Luftversorgungssystem
    22
    Luftfilter
    24
    Luftmassenmesser
    26
    Verdichter
    28
    Ansaugkanal
    30
    Drosselklappe
    32
    Ladeluftkühler
    34
    Einmündung
    36
    Hochdruckabgasrückführung
    38
    Abgasrückführungsventil
    40
    Abgasanlage
    42
    Abgaskanal
    44
    Turbine
    46
    Oxidationskatalysator
    48
    Partikelfilter
    50
    erstes Dosierventil
    52
    SCR-Beschichtung
    54
    zweites Dosierventil
    56
    erster SCR-Katalysator
    58
    Oxidationskatalysator
    60
    Ammoniak-Sperrkatalysator
    62
    erste Abgasklappe
    64
    Temperatursensor
    66
    erste Verzweigung
    68
    Einmündung
    70
    Niederdruckabgasrückführung
    72
    Abgasrückführungskühler
    74
    Abgasrückführungsventil
    76
    Abgasrückführungsleitung
    78
    Filter
    80
    zweite Verzweigung
    82
    Abgasleitung
    84
    zweite Abgasklappe
    86
    Abgasturbolader
    88
    Abgasmischer
    90
    Steuergerät
    92
    Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung
    94
    NOx-Speicherkatalysator
    96
    Heizelement
    TEG
    Abgastemperatur
    TSO
    obere Schwellentemperatur
    TSU
    untere Schwellentemperatur
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 112009000968 T5 [0004]
    • DE 102010042271 A1 [0005]
    • DE 102017214572 A1 [0006]
    • DE 102017125974 A1 [0007]

Claims (10)

  1. Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor (10), umfassend eine Abgasanlage (40) mit einem ersten Abgaskanal (42), in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors (10) durch den Abgaskanal (42) ein erster Katalysator (46, 94), stromabwärts des ersten Katalysators (46, 94) ein Partikelfilter (48) und stromabwärts des Partikelfilters (48) und stromabwärts des Partikelfilters (48) mindestens ein SCR-Katalysator (56) angeordnet ist, wobei stromabwärts des Partikelfilters (48) und stromaufwärts des SCR-Katalysators (56) an einer Verzweigung (66) eine Abgasrückführungsleitung (76) einer Niederdruckabgasrückführung (70) aus dem Abgaskanal (42) abzweigt, wobei stromabwärts der Verzweigung (66) und stromaufwärts des SCR-Katalysators (56) eine Abgasklappe (62) angeordnet ist, und wobei in der Abgasrückführungsleitung (76) Mittel (72, 92) zur Reduzierung der Abgastemperatur (TEG) des über die Niederdruckabgasrückführung (70) zurückgeführten Abgasstroms angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Abgasleitung (82) vorgesehen ist, welche die Abgasrückführungsleitung (76) stromabwärts der Mittel (72, 92) zur Reduzierung der Abgastemperatur mit dem Abgaskanal (42) stromabwärts der Abgasklappe (62) und stromaufwärts des SCR-Katalysators (56) verbindet.
  2. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der weiteren Abgasleitung (82) eine zweite Abgasklappe (84) angeordnet ist, mit welcher ein Abgasstrom durch die weitere Abgasleitung (82) steuerbar ist.
  3. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasrückführungsleitung (76) stromabwärts einer Verzweigung (80), an welcher die weitere Abgasleitung (82) aus der Abgasrückführungsleitung (76) abzweigt, ein Abgasrückführungsventil (74) angeordnet ist.
  4. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (72, 92) zur Reduzierung der Abgastemperatur (TEG) eine Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung (92) umfassen.
  5. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (72, 92) zur Reduzierung der Abgastemperatur (TEG) einen Abgasrückführungskühler (72) umfassen.
  6. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator (46, 94) als Oxidationskatalysator (46) oder als NOx-Speicherkatalysator (94) ausgeführt ist, wobei dem ersten Katalysator (46, 94) ein Heizelement (96) vorgeschaltet ist, über welches der erste Katalysator (46, 94) im Wesentlichen unabhängig vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10) beheizbar ist.
  7. Verfahren zum Temperaturmanagement eines SCR-Katalysators (56) in der Abgasanlage (40) eines Verbrennungsmotors (10) mit einem Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur (TEG) des Abgasstroms des Verbrennungsmotors (10) ermittelt wird und die ermittelte Temperatur (TEG) mit einer oberen Schwellentemperatur (TSO) für den SCR-Katalysator (56) verglichen wird, wobei bei Überschreiten der Schwellentemperatur (TSO) die Abgasklappe (62) zumindest anteilig geschlossen wird und zumindest ein Abgasteilstrom über die Mittel (72, 92) zur Reduzierung der Abgastemperatur (TEG) und die weitere Abgasleitung (82) in den Abgaskanal (42) stromaufwärts des SCR-Katalysators (56) geleitet wird.
  8. Verfahren zum Temperaturmanagement eines SCR-Katalysator (56) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom bei einer Regeneration des Partikelfilters (48) über die Abgasrückführungsleitung (76) geleitet wird, durch die Mittel (72, 92) zur Reduzierung der Abgastemperatur (TEG) gekühlt und der gekühlte Abgasstrom durch die weitere Abgasleitung (82) dem SCR-Katalysator (56) zugeführt wird.
  9. Verfahren zum Temperaturmanagement eines SCR-Katalysators (56) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor Einleitung einer Regeneration der Abgasstrom durch die Mittel (72, 92) geleitet wird, sodass der SCR-Katalysator (56) zu Beginn der Regeneration auf eine untere Schwellentemperatur (TSU) abgekühlt wird.
  10. Verfahren zum Temperaturmanagement eines SCR-Katalysators (56) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator (46, 94) elektrisch beheizt wird, wenn die Abgastemperatur (TEG) einen unteren Schwellenwert (TSU) für den SCR-Katalysator (56) unterschreitet.
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