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Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zur Beeinflussung des Umsatzverhaltens eines Abgasnachbehandlungssystems bei mit Abgasaufladung ausgestatteten Brennkraftmaschinen, wie Dieselmotoren und Ottomotoren, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Um die gesetzlich vorgeschriebenen Abgasgrenzwerte einzuhalten, sind inzwischen nahezu alle Brennkraftmaschinen mit katalytisch arbeitenden Nachbehandlungssystemen wie Drei-Wege-Katalysatoren, NOx-Speicherkatalysatoren, Katalysatoren zur Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxidoxidation, SCR-Katalysatoren oder Partikelfiltern ausgestattet.
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All diesen Systemen ist gemein, dass sie zur korrekten Funktion ausreichend hohe Abgastemperaturen voraussetzen. Dies ist besonders bei abgasaufgeladenen Brennkraftmaschinen problematisch, da der Abgasturbolader zur Verrichtung der Verdichtungsarbeit dem Abgas Enthalpie entzieht, was zu einer Abkühlung des Abgases führt. Wird die Brennkraftmaschine zusätzlich in schwachbelasteten Fahrzeugen eingesetzt, werden oft die notwendigen Mindesttemperaturen für die Nachbehandlungssysteme nicht erreicht.
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Eine Lösungsmöglichkeit besteht darin, die Katalysatoren zu vergrößern und/oder die aktive Masse zu erhöhen. Allerdings führt dies zu erheblich höheren Kosten.
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Auch eine Anhebung der Abgastemperaturen durch Drosseln des Abgas- oder Frischluftsystems und/oder eine Absenkung des Luft-/Kraftstoffverhältnisses und/oder einer Veränderung der Einspritzzeitpunkte sind denkbar, führen jedoch zu einem Verbrauchsanstieg.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Katalysatoren stromauf des Abgasturboladers anzuordnen, allerdings kommt es dabei zu einer hohen thermischen Belastung der Katalysatoren, die bis zu deren Schädigung führen kann. So liegen die Abgastemperaturen stromauf des Turboladers bis zu 900°C.
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Zusätzlich kommt es bei einigen Katalysatortypen, wie NO-Oxidations- und NOx-Speicherkatalysatoren, bei zu hohen Temperaturen zu einem Rückgang der erreichbaren Umsätze.
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Einen weiteren wichtigen Betriebsparameter zur Veränderung der Umsätze stellt der Druck dar, unter dem die Katalysatoren arbeiten. Da mit steigendem Druck auch die Partialdrücke der umzusetzenden Abgaskomponenten ansteigen, kommt es zu einer Beschleunigung der Reaktionen. Dies führt im Vergleich zu niedrigeren Betriebsdrücken bei gleichen Temperaturen zu höheren Umsätzen. Eine Möglichkeit den Betriebsdruck anzuheben, wäre eine Drossel stromab des Nachbehandlungssystems anzubringen und dadurch den Abgasgegendruck zu erhöhen. Dies wird in der Praxis jedoch üblicherweise nicht durchgeführt, da dies einen deutlichen Verbrauchsanstieg zur Folge hat.
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NO-Oxidationskatalysatoren werden sowohl beim SCR-Verfahren (selektive katalytische Reduktion), wie auch für die verbesserte Regeneration von Partikelfiltern eingesetzt.
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An den meist platinhaltigen NO-Oxidationskatalysatoren wird mit Hilfe von im Abgas enthaltenen Sauerstoff aus dem vom Motor emittierten Stickstoffmonoxid das starke Oxidationsmittel Stickstoffdioxid gebildet. 2NO + O2 ⇔ 2NO2 (1)
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Das Problem dieser NO-Oxidationskatalysatoren besteht darin, dass die maximal erzielbaren NO2-Anteile bei hohen Temperaturen thermodynamisch begrenzt werden. Dies führt dazu, dass, im Gegensatz zu anderen Abgaskatalysatoren die gewünschten Umsätze nach einem Anstieg bei niedrigen Temperaturen bei hohen Temperaturen wieder absinken und sich kein ausgeprägtes, plateauartiges Umsatzmaximum ausbildet.
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Ein weiteres Problem stellt die Verschwefelung der NO-Oxidations- und NOx-Speicherkatalysatoren durch im Kraftstoff und/oder im Motorenöl enthaltenen Schwefel dar. Durch die Speicherung des Schwefels in den Katalysatoren geht deren NO-Oxidations- und/oder NOx-Speicherfähigkeit zurück. Eine Regeneration der Katalysatoren kann durch Anhebung der Abgastemperaturen auf über 500°C erfolgen, allerdings wird diese Temperatur im normalen Fahrzeugbetrieb stromab des Turboladers kaum erreicht.
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Der Einsatz von SCR-Katalysatoren erfolgt seit vielen Jahren im Kraftwerksbereich und in jüngster Zeit auch bei Brennkraftmaschinen. Eine ausführliche Darstellung solcher Verfahren ist der
DE 34 28 232 A1 zu entnehmen. Als SCR-Katalysatoren können V
2O
5-haltige Mischoxide, beispielsweise in der Form V
2O
5/WO
3/TiO
2, verwendet werden. Typische V
2O
5-Anteile liegen dabei zwischen 0,2–3%.
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Als Reduktionsmittel kommen in der praktischen Anwendung Ammoniak oder Ammoniak abspaltende Verbindungen, wie Harnstoff oder Ammoniumformiat, in fester oder Lösungsform zum Einsatz.
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Für die Umsetzung von einem Mol Stickstoffmonoxid ist dabei ein Mol Ammoniak notwendig. 4NO + 4NH3 + O2 ⇒ 4N2 + 6H2O (2)
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Für die Zersetzung des Reduktionsmittels ist, insbesondere nach dem Start der Brennkraftmaschine, bzw. beim Betreiben der Brennkraftmaschine im unteren Leistungsbereich, die Abgastemperatur zu niedrig, um ohne den Anfall problematischer Nebenprodukte Ammoniak zu erzeugen.
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Im Zusammenhang mit der Zersetzung von Harnstoff ((NH2)2CO) in Ammoniak (NH3) ist bekannt, dass dies unter optimalen Bedingungen (Temperaturen über 350°C) in zwei Stufen geschieht, nach (NH2)2CO ⇒ NH3 + HNCO (3) erfolgt zunächst die Thermolyse, d. h. die thermische Zersetzung von Harnstoff. Anschließend erfolgt nach HNCO + H2O ⇒ NH3 + CO2 (4) die Hydrolyse, also die katalytische Zersetzung von Isocyansäure (HNCO) in Ammoniak (NH3) und Kohlendioxid (CO2).
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Liegt das Reduktionsmittel in wässriger Form vor, wie Z. B. als eutektische Harnstofflösung (Markenname AdBlue), muss dieses Wasser zusätzlich vor und während der eigentlichen Thermo- und Hydrolyse verdampfen.
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Sind die bei der vorstehenden Reaktion nach (3) und (4) vorliegenden Temperaturen unter 350°C bzw. wird nur langsam erhitzt, ist es aus der
DE 40 38 054 A1 bekannt, dass hauptsächlich feste unschmelzbare Cyanursäure durch Trimerisierung der nach (7) gebildeten Isocyansäure gemäß
3HNCO <350°C → ← >350°C (HNCO)3 (5) entsteht, die zur Verstopfung des nachfolgenden SCR-Katalysators führt. Abhilfe kann, wie in der erwähnten
DE 40 38 054 ausgeführt, dadurch geschaffen werden, dass der mit dem Reduktionsmittel beladene Abgasstrom über einen Hydrolysekatalysator oder Harnstoffzersetzungskatalysator geführt wird. Die Abgastemperatur, ab der eine quantitative Hydrolyse möglich wird, lässt sich so auf 160°C absenken. Aufbau und Zusammensetzung eines entsprechenden Katalysators ist in der erwähnten Publikation ebenso beschrieben wie Aufbau und Funktion eines mit einem Hydrolysekatalysator ausgestatteten SCR-Katalysator-Systems.
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Wird den SCR-Katalysatoren ein platinhaltiger NO-Oxidationskatalysator zur Bildung von NO2 vorgeschaltet 2NO + O2 ⇔ 2NO2 (1) so kann die SCR-Reaktion erheblich beschleunigt und die Tieftemperaturaktivität merklich angehoben werden. NO + 2NH3 + NO2 ⇒ 2N2 + 3H2O (6)
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Dabei ist darauf zu achten, dass der NO
2-Anteil an den Gesamtstickoxiden nicht über 50% liegt, da es ansonsten zu einem Rückgang des NOx-Umsatzes kommt. Um dies zu gewährleisten, kann ein Bypass zum NO-Oxidationskatalysator angebracht werden, der bei zu hohen NO
2-Anteilen geöffnet wird, um die gebildete NO
2-Menge abzusenken. Beschrieben werden solche Bypasslösungen in
EP 1495796A1 ,
EP 1217196A2 und
DE 102005049656 . Auch aus anderen Anwendung sind Bypasslösungen um Katalysatoren bekannt (
JP 4 017 714 B2 ,
JP 3 275 924 B2 ). Der Nachteil dieser Lösungen besteht darin, dass mit der Bypasslösung nur der Umsatz verringert, aber nicht angehoben werden kann. Dies hat zur Folge, dass die Katalysatoren größer als notwendig ausgeführt werden und über den Bypass der dann zu hohe Umsatz verringert wird.
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Bei in Fahrzeugen betriebenen Brennkraftmaschinen gestaltet sich die Stickoxidreduzierung mit Hilfe des SCR-Verfahrens deshalb schwierig, weil dort wechselnde Betriebsbedingungen vorliegen, was die mengenmäßige Zumessung des Reduktionsmittels erschwert. Es soll zwar einerseits ein möglichst hoher Umsatz an Stickoxiden erreicht werden, andererseits ist aber darauf zu achteten, dass es nicht zur Emission von unverbrauchtem Ammoniak kommt. Um hier Abhilfe zu schaffen, wird häufig ein, dem SCR-Katalysator nachgeordneter Ammoniak-Sperrkatalysator eingesetzt, der überschüssigen Ammoniak zu Stickstoff und Wasserdampf umsetzt. Weiter kann der Einsatz von V2O5 als Aktivmaterial für den SCR-Katalysator dann Probleme aufwerfen, wenn die Abgastemperatur am SCR-Katalysator über 650°C liegt, weil V2O5 dann sublimiert. Hier bietet sich der Einsatz von Fe-, Cu- oder Co-haltigen Zeolithen als SCR-Katalysatoren an.
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Zur Minimierung der Feinstoffpartikel werden sowohl im Kraftwerksbereich als auch bei Fahrzeugen entweder sogenannte Partikelabscheider oder Partikelfilter eingesetzt. Eine für die Anwendung in Fahrzeugen typische Anordnung mit Partikelabscheider ist beispielsweise in der
EP 1 072 765 A2 beschrieben. Derartige Anordnungen unterscheiden sich von solchen mit Partikelfiltern dadurch, dass der Durchmesser der Kanäle des Partikelabscheiders wesentlich größer als der Durchmesser der größten vorkommenden Partikel ist, während bei Partikelfiltern der Durchmesser der Filterkanäle im Bereich der Durchmesser der Partikel liegt. Infolge dieses Unterschiedes sind Partikelfilter verstopfungsgefährdet, was den Abgasgegendruck erhöht und die Motorleistung mindert. Eine Anordnung und ein Verfahren mit Partikelfilter ist der
EP 0 341 832 A2 zu entnehmen. Die beiden vorgenannten Anordnungen bzw. Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass der jeweils stromauf zum Partikelabscheider bzw. Partikelfilter angeordnete Oxidationskatalysator – zumeist ein Katalysator mit Platin als Aktivmaterial – das Stickstoffmonoxid im Abgas mit Hilfe des ebenfalls enthaltenen Restsauerstoffes zu Stickstoffdioxid oxidiert, das sich wiederum im Partikelabscheider bzw. Partikelfilter mit den Kohlenstoffpartikeln zu CO, CO
2, N
2 und NO umsetzt. Auf diese Weise erfolgt eine kontinuierliche Entfernung der angelagerten Feinstoffpartikel, Regenerationszyklen, wie sie aufwändig bei anderen Anordnungen durchgeführt werden müssen, entfallen dadurch.
2NO2 + C ⇒ 2NO + CO2 (7) NO2 + C ⇒ NO + CO (8) 2C + 2NO2 ⇒ N2 + 2CO2 (9) -
Um die zukünftig geltenden Abgasbestimmungen zu erfüllen, ist der gleichzeitige Einsatz sowohl von Anordnungen zur Reduzierung der Stickoxidemission, als auch von Anordnungen zur Reduzierung der Feinstoffpartikelemission erforderlich. Hierzu sind bereits verschiedene Anordnungen und Verfahren bekannt geworden.
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In der
DE 103 48 799 A1 ist eine Anordnung beschrieben, die aus einem Oxidationskatalysator, einem stromab zu diesem im Abgasstrom angeordneten SCR-Katalysator und einem wiederum zu diesem stromab im Abgasstrom angeordneten Partikelfilter besteht. Die Zuführung des Reduktionsmittels für die im SCR-Katalysator ablaufende selektive katalytische Reaktion erfolgt unmittelbar vor dem SCR-Katalysator über eine in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine gesteuerte Harnstoffeinspritzeinrichtung. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, dass das im Oxidationskatalysator erzeugte Stickstoffdioxid durch die selektive katalytische Reduktion im SCR-Katalysator im wesentlichen vollständig verbraucht ist, also für die Umsetzung der im nachgeordneten Partikelfilter angelagerten Feinstoffpartikel nicht zur Verfügung steht. Die Regeneration des Partikelfilters muss deshalb aufwändig durch zyklisches Aufheizen des Abgasstroms bewerkstelligt werden, indem der Abgasstrom mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen angereichert wird. Dies geschieht entweder durch Anfetten des Verbrennungsgemisches oder Eindüsen von Kraftstoff vor den Partikelfilter. Eine derartige Anordnung zum Regenerieren des Partikelfilters ist einerseits aufwändig und damit teuer, andererseits erzeugt die zyklische Regeneration des am Ende der Anordnung liegenden Partikelfilters erneut Schadstoffe die nicht mehr aus dem Abgas entfernt werden können.
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Eine weitere Kombination aus einem Partikelfilter und einer Anordnung zur selektiven katalytischen Reduktion ist aus der
EP 1 054 722 A1 bekannt geworden. Die dort beschriebene Anordnung besteht aus einem im Abgasstrom angeordneten Oxidationskatalysator der den Anteil des Stickstoffdioxides im Abgas erhöht, einem stromab nachgeordneten Feinstofffilter, einem Reservoir für die Reduktionsflüssigkeit sowie einer Einspritzeinrichtung für die Reduktionsflüssigkeit, die hinter dem Feinstofffilter angeordnet ist, und einem hierzu im Abgasstrom stromab angeordneten SCR-Katalysator.
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Weiter ist es aus der
DE 10 2005 043 060 A1 eine Turboladereinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem ersten Abgasturbolader und einem weiteren Abgasturbolader bekannt. Die Turbine des ersten Abgasturboladers und die Turbine des weiteren Abgasturboladers sind in einer Abgasleitung vom Abgas der Brennkrafmaschine antreibbar und in Strömungsrichtung nacheinander vom Abgasmassenstrom beaufschlagbar. Es ist vorgesehen, dass die Turbine des ersten Abgasturboladers, eine erste Abgasnachbehandlungseinrichtung und die Turbine des weiteren Abgasturboladers in der Abgasleitung in Serie geschaltet sind, wobei eine vom Abgasmassenstrom mit einem Anteil von 0% bis 100% durchströmbare, regelbare Bypassleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts der Serienschaltung von der Abgasleitung abzweigt und in einer Einmündung stromabwärts der Turbine des ersten Abgasturboladers in die Abgasleitung wieder einmündet.
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Aus der
DE 103 19 594 A1 ist schließlich eine Turboladereinrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt, mit mindestens einem Abgasturbolader, dessen Turbine in einer Abgasleitung vom Abgas der Brennkraftmaschine antreibbar und dessen Verdichter in einer Luftzuführleitung angeordnet und zum Komprimieren von Verbrennungsluft der Brennkraftmaschine vorgesehen ist. In Serienschaltung zur Turbine befindet sich ein erster Abgaskatalysator in der Abgasleitung. Ebenso ist eine vom Abgasmassenstrom durchströmbare, schaltbare Umgehungsleitung vorgesehen, die stromauf der Serienschaltung von der Abgasleitung abzweigt und in einer Einmündung, stromab der Serienschaltung in die Abgasleitung wieder einmündet.
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Ausgehend vom vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung unter Vermeidung der Nachteile bekannter Anordnungen die Betriebsbedingungen mindestens eines Katalysators zur Abgasnachbehandlung so zu steuern oder zu regeln, dass sich die gewünschten Umsätze ergeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst gemäß dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1.
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Zur Veränderung der Betriebsparameter, wie Temperatur und/oder Betriebsdruck mindestens eines Katalysators zur Veränderung der Zusammensetzung des Abgases einer Brennkraftmaschine und/oder eines Partikelfilters und/oder Partikelabscheiders wird eine Anordnung vorgeschlagen, die mindestens zwei abgasbetriebenen Aufladegruppen umfasst, wobei mindestens zwei Abgasturbinen strömungstechnisch hintereinander angeordnet sind und mindestens ein Katalysator und/oder Partikelfilter und/oder Partikelabscheider zwischen den mindestens zwei Abgasturbinen angebracht ist und die Verdichterleistungen und/oder die Turbinenwirkungsgrade und/oder die Verdichterwirkungsgrade durch mindestens eine Einstell-Vorrichtung verändert werden.
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Die dem Motor strömungstechnisch näher liegende Turbine wird dabei als Hochdruckturbine, die weiter entfernte, als Niederdruckturbine bezeichnet.
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Durch die Veränderung der Verdichterleistung und/oder des Turbinenwirkungsgrades und/oder des Verdichterwirkungsgrades mindestens einer Aufladegruppe ist es möglich, die Abgasenthalpie, die dem Abgas über die erste Hochdruckturbine entzogen wird, zu verändern und somit die gewünschte Abgastemperatur, die am Katalysator und/oder Partikelfilter anliegt, einzustellen. Zusätzlich ist eine Optimierung der Umsätze durch Veränderung des Abgasdrucks zwischen den Turbinen und damit des Betriebsdrucks des Katalysators möglich.
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Soll beispielsweise die Temperatur und/oder der Abgasdruck am Katalysator abgesenkt werden, kann die Verdichterleistung der Hochdruckstufe angehoben werden. Dadurch wird dem Abgas mehr Enthalpie entzogen, was zu einer Verringerung der Abgastemperatur und des Abgasdrucks zwischen der Hoch- und Niederdruckturbine führt. Da der Niederdruckstufe nun weniger Abgasenthalpie zur Verfügung steht, geht deren Verdichterleistung entsprechend zurück, so dass die geförderte Frischluftmenge sich in Summe nur wenig verändert. Soll die der Brennkraftmaschine zugeführte Luftmenge konstant gehalten werden, ist es sinnvoll, die Verdichterleistung der Niederdruckstufe durch entsprechende Vorrichtungen gezielt abzusenken.
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Soll dagegen die Abgastemperatur und/oder der Abgasdruck am Katalysator angehoben werden, wird die Verdichterleistung der Hochdruckstufe abgesenkt und die der Niederdruckstufe entsprechend angehoben. Dies ist besonders beim Kaltstart der Brennkraftmaschine sinnvoll, um die Katalysatoren möglichst schnell aufzuheizen.
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Die Verdichterleistungen und/oder die Turbinenwirkungsgrade und/oder die Verdichterwirkungsgrade können durch mehrere, auch untereinander kombinierbare Vorrichtungen verändert werden.
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Die einfachste Lösung besteht darin, eine Bypassleitung parallel zur Abgasturbine vorzusehen und mit Hilfe einer Absperrvorrichtung im Bypass die über den Bypass an der Turbine vorbeigeleitete Abgasmenge einzustellen. Je mehr Abgas über diesen Bypass an der Turbine vorbeigeführt wird, desto weniger Verdichterarbeit kann von dieser Ladegruppe verrichtet werden. Eine solche Vorrichtung wird als „Wastegate” bezeichnet und ist als solche Stand der Technik.
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Eine zweite Möglichkeit besteht darin, über verstellbare Leitapparate die Anströmung der Turbinenschaufeln zu variieren, was zu einer Veränderung der Verdichterleistung und des Turbinenwirkungsgrades führt. Solche Vorrichtungen werden als Turbolader mit variabeler Turbinengeometrie, kurz „VTG”, bezeichnet und sind in
DE 3541508C1 ,
US6167703B1 und
EP1334262A1 beschrieben.
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Eine dritte Ausführungsform sieht vor, eine Bypassleitung parallel zum Verdichter vorzusehen, über die Frischluft von der Hochdruckseite des Verdichters wieder auf die Niederdruckseite oder in die Umgebung zurückströmen kann. Durch eine verstellbare Absperrvorrichtung im Bypass kann die über den Bypass zurückströmende Frischluftmenge eingestellt oder eingeregelt werden, wodurch sich die Verdichterleistung und der Verdichterwirkungsgrad verändert.
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Eine vierte Möglichkeit besteht darin, die Verdichterleistung durch Drosseln auf der Frischluftseite zu beeinflussen. Dabei können die Drosseln stromauf und/oder stromab des ersten und/oder zweiten Verdichters angebracht werden.
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Es ist auch möglich, die oben beschriebenen Vorrichtungen zu kombinieren. Ein Beispiel für eine auf solche Art kombinierte Aufladegruppe ist in
EP1640583A2 gegeben, allerdings wird hier weder die Abgastemperatur noch der Abgasgegendruck, sondern der Ladedruck und damit die Frischluftmenge als Regelgröße verwendet.
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Auch eine verstellbare Drosselvorrichtung im Abgasstrom zwischen der Nieder- und Hochdruckturbine ist denkbar. Ist die Brennkraftmaschine in einem Fahrzeug verbaut, kann diese Drosselvorrichtung so ausgeführt sein, dass sie im Bremsbetrieb geschlossen wird, wodurch sie als Motorstaubremse wirkt.
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Die Abgastemperaturen und Abgasdrücke zur Stellung oder Regelung des Systems können mit Hilfe von geeigneten Sensoren bestimmt oder aus, in einer elektronischen Kontrolleinheit abgelegten Modellen, also Tabellen bzw. Kurven, abgeschätzt werden.
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In der elektronischen Kontrolleinheit werden zudem die Soll-Betriebsparameter für den zwischen den Abgasturbinen angebrachten Katalysatoren ermittelt und die entsprechenden Stellen angesteuert. Dies geschieht ebenfalls über geeignete Modelle und/oder Sensoren, wobei die Rohemissionen und/oder die Sollemissionen und/oder die tatsächlichen Emissionen nach dem System und/oder die Abgasmasse und/oder die Luftmasse und/oder das Kraftstoff-/Luft-Verhältnis und/oder der Ladedruck und/oder der Atmosphäredruck und/oder die Abgasrückführungsrate und/oder der Abgasgegendruck und/oder der Restsauerstoffgehalt im Abgas und/oder die Betriebsdauer der Brennkraftmaschine und/oder des Nachbehandlungssystems zur Bestimmung der Sollparameter herangezogen werden.
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Das Verfahren bzw. eine entsprechend eingerichtete elektronischen Kontrolleinheit kann auch dazu eingesetzt werden, die Abgastemperatur kurzfristig anzuheben, um eine Regeneration des Abgasnachbehandlungssystems durchzuführen. Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn NO-Oxidations- und/oder NOx-Speicherkatalysatoren eingesetzt werden. Bei diesen Katalysatoren kommt es sehr leicht zu einer Sulfatisierung und einem dadurch bedingten Umsatzrückgang. Werden diese Katalysatoren zwischen den beiden Turbinen angebracht, kann durch eine kurzzeitige Veränderung der Verdichterleistung und/oder des Turbinenwirkungsgrades und/oder des Verdichterwirkungsgrades mindestens einer Aufladegruppe eine deutliche Temperaturanhebung an den Katalysatoren erzeugt und dadurch sehr einfach eine thermische Desulfatisierung dieser Katalysatoren durchgeführt werden. Entgegen dem Stand der Technik, bei dem üblicherweise zusätzlich Kraftstoff in die Brennkraftmaschine und/oder das Abgassystem zugegeben und/oder die Einspritzbeginne des Kraftstoffs nach „spät” verstellt werden, führt das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die entsprechend eingerichtete elektronischen Kontrolleinheit zu einem weit geringeren Anstieg des Kraftstoffverbrauchs.
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Auf gleiche Weise kann ein zwischen den Turbinen angebrachter Partikelfilter regeneriert werden, da es bei hohen Temperaturen zu einer Oxidation des im Partikelfilter abgeschiednen kohlenstoffhaltigen Rußes mit Hilfe von Sauerstoff kommt. 2C + O2 ⇒ 2CO (10)
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Als Abgasnachbehandlungskomponenten zwischen den mindestens zwei Abgasturbinen können NO-Oxidationskatalysatoren und/oder Drei-Wege-Katalysatoren und/oder NOx-Speicherkatalysatoren und/oder Harnstoff-Zersetzungskatalysatoren und/oder Hydrolysekatalysatoren und/oder Katalysatoren zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen und/oder Katalysatoren zur Oxidation von Kohlenmonoxid und oder Katalysatoren zur Oxidation von Ammoniak und/oder SCR-Katalysatoren und/oder Partikelfilter und/oder Partikelabscheider verwendet werden.
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Diese können auch zu einer baulichen Einheit zusammengefasst werden.
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Als Material für den Partikelfilter eignen sich in vorteilhafter Weise Cordierit oder Siliziumcarbid oder Sintermetall oder keramische Fasern oder Silikatfasern oder Metallgestricke oder Aluminiumtitanat.
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Als Aktivkomponenten für die NO-Oxidations-, Drei-Wege- und NH3-Oxidationskatalysatoren kommen Elemente der Platinmetallgruppe und deren Oxide und/oder Zeolithe in Frage.
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Als Aktivkomponenten für die SCR-Katalysatoren sind Vanadiumoxid und/oder Wolframoxid und/oder Titandioxid und/oder Eisenzeolithe und/oder Kupferzeolithe und/oder Kobaltzeolithe einsetzbar. Zur NOx-Umsetzung muss die Reduktionsmittelzuführung stromauf des SCR-Katalysators erfolgen, vorteilhaft zwischen der Hochdruckstufe und dem SCR-Katalysator.
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Als Aktivkomponenten für die NO-Speicherkatalysatoren sind Bariumoxid und Platinmetalle denkbar.
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Als Aktivkomponente für die Harnstoffzersetzungskatalysatoren kommen TiO2 und/oder TiO2/SiO2 und/oder TiO2/SiO2/Al2O3 und/oder Zeolithe in Frage.
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Bei Einsatz eines SCR- und/oder Harnstoffzersetzungskatalysators ist es sinnvoll, das benötigte Reduktionsmittel stromab der Hochdruckturbine und stromauf der SCR- oder Harnstoffzersetzungskatalysatoren zuzugeben.
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Die oben beschriebenen Katalysatoren können in einem Gehäuse untergebracht werden, das gleichzeitig als Abgasschalldämpfer wirkt. Hierfür können Dämpfungsvolumen und/oder Dämmmatten und/oder perforierte Zwischenbleche und/oder perforierte Rohrstücke eingesetzt werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung mit Hilfe der Zeichnungen anhand einiger Beispiele näher erläutert, es zeigen:
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1 Thermodynamisches Gleichgewicht zwischen NO und NO2 und Wirkung eines NO-Oxidationskatalysators;
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2 schematischer Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Wastegate an der Hochdruckturbine;
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3 schematischer Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung, mit je einem Wastegate an der Hochdruck- und der Niederdruckturbine;
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4 schematischer Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung mit je einem Bypass am Hochdruck- und Niederdruckverdichter;
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5 schematischer Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung mit je einem Wastegate und variabler Turbinengeometrie an der Hochdruck- und der Niederdruckturbine und je einem Bypass am Hochdruck- und Niederdruckverdichter;
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6 schematischer Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung mit je einem Wastegate an der Hochdruck- und der Niederdruckturbine, einer verstellbaren Drossel stromauf des Niederdruckladers sowie einem NO-Oxidationskatalyator und einem Partikelfilter.
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In 1 ist die Bildung von NO2 am Beispiel zweier unterschiedlich aktiver NO-Oxidationsatalysatoren dargestellt. Deutlich zu erkennen ist, dass, obwohl der Katalysator 1 bei tiefen Temperaturen deutlich mehr NO in NO2 überführt, als der Katalysator 2, bei hohen Temperaturen die NO2-Anteile aber thermodynamisch begrenzt werden, was dazu führt, dass ab Temperaturen von ca. 400°C kein Unterschied mehr zwischen den beiden Katalysatoren besteht. Soll der maximal mögliche NO-Umsatz an den Katalysatoren dargestellt werden, so sollten die Temperaturen durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. eine entsprechend eingerichtete elektronischen Kontrolleinheit für den Katalysator 1 auf ca. 290°C und für den Katalysator 2 auf ca. 350°C eingeregelt werden. Sollen dagegen die für das SCR-Verfahren optimalen 50%-NO2-Anteil eingestellt werden, so ergeben sich für den Katalysator 1 als mögliche Temperaturen 220°C oder 430°C, für den Katalysator 2 290°C oder wiederum 430°C.
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In 2 ist der schematische Ausbau der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt: Das Abgas 2 einer Brennkraftmaschine 1 strömt durch die Hochdruckturbine 3 der ersten Aufladegruppe 4, anschließend durch einen stromab angebrachten Abgaskatalysator 5 und die Niederdruckturbine 6 der zweiten Aufladegruppe 7. Über den Verdichter der zweiten Aufladegruppe 7 wird Frischluft 8 angesaugt, verdichtet und über den Verdichter der ersten Aufladegruppe 4 der Brennkraftmaschine 1 als komprimierte Ladeluft 9 zugeführt. Um die Verdichterleistung der ersten Aufladegruppe 4 zu verändern, ist parallel zur Hochdruckturbine 3 ein Bypass 10 in Form eines Wastegates inklusive einer Absperrvorrichtung 11 angebracht. Durch Variation der mittels der Absperrvorrichtung 11 über das Wastegate geführten Abgasmenge lässt sich die Turbinenleistung und damit die Temperatur bzw. der Druck am Katalysator 5 einstellen.
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Bei dem Katalysator 5 kann es sich um einen SCR-Katalysator und, optional zusätzlich, einen NO-Oxidations- und/oder NH3-Oxidations- und/oder Kohlenwasserstoffoxidations- und/oder Kohlenmonoxidoxidations- und/oder Harnstoffzersetzungs- und/oder Hydrolyse- und/oder NOx-Speicherkatalysator handeln.
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Handelt es sich bei dem Katalysator 5 um einen SCR- und/oder Harnstoffzersetzungs- und/oder Hydrolysekatalysator, ist die Zuführung eines Reduktionsmittels erforderlich. Die in 2 nicht dargestellte Zuführung erfolgt dann zwischen der Hochdruckturbine und dem Katalysator. Als Reduktionsmittel wird üblicherweise Ammoniak oder ein ammoniakabspaltendes Reduktionsmittel wie wässrige Harnstofflösung eingesetzt. Wird Ammoniak zugeführt, ist es sinnvoll, diesen in einer vorgelagerten Reduktionsmittelaufbereitungseinheit, die in einem Bypass zur Turbine des Hochdruckturboladers angeordnet sein kann, aus einem Reduktionsmittel wie z. B. wässriger Harnstofflösung herzustellen. Die vorstehend beschriebene Reduktionsmittelzuführung kann auch bei den nachfolgenden Beispielen entsprechend realisiert sein, ohne dass dies eigens erwähnt wird.
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Die Anordnung nach 3 entspricht in weiten Teilen dem Beispiel nach 2, zusätzlich ist jedoch auch an der Niederdruckturbine 6 ein weiterer Bypass 10 mit einer Absperreinrichtung 11' parallel geschaltet. Es lässt sich somit auch die Leistung der Niederdruckturbine 6 direkt beeinflussen, so dass sich die Regelbarkeit der gesamten Anordnung insbesondere auch hinsichtlich der am Katalysator anliegenden Temperatur bzw. des Druckes verbessert.
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Eine weitere Möglichkeit, die Verdichterleistung der Verdichter 3 und 6 zu beeinflussen, ist in 4 gezeigt. Hier sind bei einer Anordnung ähnlich der im Beispiel nach 3, an Stelle der Wastegates an denn Turbinen, Bypässe 10'', 10''' parallel zu den Verdichtern angeordnet. Durch eine verstellbare Absperrvorrichtung 11'', 11''' in den Bypässen 10'', 10''' kann die über diese zurückströmende Frischluftmenge eingestellt oder eingeregelt werden, wodurch sich die Verdichterleistung und der Verdichterwirkungsgrad verändert. Auch hierdurch lässt sich die Leistung der Turbinen 3 und 6 beeinflussen, so dass auch auf diese Weise Temperatur und Druck am Katalysator 5 einstellbar sind.
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Eine Kombination der Anordnung gemäß 3 und der gemäß 4 zeigt 5. Hier sind Bypässe 10, 10', 10'', 10''' in Form von regelbaren Wastegates an sämtlichen Turbinen 12, 12' und Verdichtern angeordnet. Zusätzlich sind die Turbinen 12, 12' mit variabler Turbinengeometrie ausgestattet. Diese Anordnung lässt die maximale Regelbarkeit der Temperatur bzw. des Drucks am Katalysator zu.
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Der in 6 dargestellte Aufbau ähnelt dem in 2 beschriebenen, zusätzlich ist zwischen den beiden Abgasturbinen 3, 6 eine verstellbare Drosselvorrichtung 13 zur Veränderung der Verdichterleistungen angebracht. Mit Hilfe der Drosselvorrichtung 13 kann darüber hinaus, durch komplettes Absperren, eine Motorbremse realisiert werden.
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Wie weiter in 6 gezeigt, sind zwischen der Hochdruckturbine 3 und der Niederdruckturbine 5 ein Katalysator zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen und/oder Kohlenmonoxid und/oder Stickstoffmonoxid 14 und ein Partikelfilter 15 angeordnet, wobei diese beiden Nachbehandlungssysteme eine bauliche Einheit bilden. Die Temperatur bzw. der Druck am Katalysator 14 bzw. am Partikelfilter 15 lassen sich auf die bereits in den vorstehenden Beispielen ausführlich beschriebene Weise durch Variation der Verdichterleistung regeln.
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Bei Einsatz eines SCR- und/oder Harnstoffzersetzungskatalysators ist es sinnvoll, das benötigte Reduktionsmittel stromab der Hochdruckturbine und stromauf der SCR- oder Harnstoffzersetzungskatalysatoren zuzugeben.
