DE102013217169A1 - Verfahren und System zur Abgasnachbehandlung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Abgasnachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors in einem Abgasnachbehandlungssystem mit mindestens einem ersten, mindestens einem zweiten und mindestens einem dritten Katalysator mit den folgenden Schritten:
Messen der momentanen Abgastemperatur, Bestimmen der momentan benötigten Dosierung des Abgasnachbehandlungsstoffes, stoßweises Einspritzen eines Vielfachen der momentan benötigten Dosierung des Abgasnachbehandlungsstoffes unter Berücksichtigung der momentanen Abgastemperatur in das Abgasnachbehandlungssystem, wobei das stoßweise Einspritzen innerhalb von 0,03 s bis 3 s, vorzugsweise 0,2 s, in einen Abgasstrang zwischen dem stromaufwärts angeordneten, ersten Katalysator und dem mindestens einen zweiten Katalysator erfolgt und wobei ein Teil des eingespritzten Abgasnachbehandlungsstoffes in den mindestens einen dritten Katalysator gelangt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Abgasnachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors in einem Abgasnachbehandlungssystem mit mindestens einem ersten, mindestens einem zweiten und mindestens einem dritten Katalysator. Das Verfahren und das System zur Abgasnachbehandlung dienen insbesondere zur effektiven Reduktion von Stickoxiden in allen Lastbetrieben eines Verbrennungsmotors, insbesondere bei Verwendung in einem Kraftfahrzeug.
  • Generell werden zur Reduktion von Stickoxiden vor allem in Dieselverbrennungsmotoren entsprechende Katalysatoren verwendet. Seit einiger Zeit wird dabei vor allem das Prinzip der selektiven katalytischen Reduktion (SCR/selective catalytic reduction) angewendet, bei der sich in dem Abgasstrang ein entsprechender SCR-Katalysator befindet, in dem die chemische Reaktion zur Reduktion von Stickoxiden selektiv stattfindet, d. h. hauptsächlich werden Stickoxide (NOx) reduziert und andere Reaktionen werden weitestgehend unterdrückt. Für die entsprechende SCR-Reaktion wird Ammoniak (NH3) benötigt, welches üblicherweise in Form einer wässrigen Harnstofflösung vor dem SCR-Katalysator in den Abgasstrang eingespritzt wird. Aus der wässrigen Harnstofflösung werden durch Hydrolyse und Thermolysereaktion Ammoniak und Kohlenstoffdioxid gebildet. Anschließend kann das auf diese Weise erzeugte Ammoniak bei entsprechender Temperatur mit den unerwünschten Stickoxiden des Verbrennungsvorgangs im Katalysator reagieren. Moderne SCR-Katalysatoren weisen üblicherweise Metall-Zeolithe auf, die eine gewisse temperaturabhängige Ammoniakspeicherfähigkeit aufweisen. Die benötigte Menge an Harnstoffwasserlösung ist abhängig von dem Lastbetrieb des Verbrennungsmotors.
  • In einem Temperaturbereich bis maximal 400°C haben die Zeolith-SCR-Katalysatoren die beschriebene Ammoniak-Speicherfähigkeit. Diese Speicherfähigkeit nimmt jedoch mit steigender Temperatur ab, bis sie irgendwann ab einer gewissen Temperatur nicht mehr vorhanden ist. Generell ist die Konversionsleistung (d. h. der Umsatz an NOx) umso höher, je höher der Ammoniakfüllstand ist. Aus diesem Grund ist es erstrebenswert, den Ammoniakfüllstand immer so hoch wie möglich zu halten. Bei dieser Art der Ammoniakdosierung in dem Abgasstrang spricht man vom dem sogenannten Füllstandbetrieb.
  • Steigt allerdings die Temperatur in dem Abgasstrang und den SCR-Katalysatoren rasch an, z. B. bei der Beschleunigung eines Kraftfahrzeugs, so wird ab einer gewissen Temperatur das in den Zeolith eingespeicherte NH3 aus dem Katalysator desorbiert, weil das Speichervermögen des Zeoliths schneller abnimmt als das NH3 durch das im Abgas enthaltene NOx abreagiert werden kann. Damit dieses überschüssige NH3, welches durch den SCR-Katalysator „durchrutscht”, nicht verloren ist oder sogar in die Umwelt gelangt, wird hinter dem ersten SCR beabstandet ein zweiter SCR-Katalysator angeordnet, der dieses „durchgerutschte” Ammoniak (Schlupf) auffängt und weiterverwendet.
  • Die DE 10 2006 027 357 A1 betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem mit zwei SCR-Katalysatoren, welche beabstandet voneinander oder aneinandergrenzend hintereinander geschaltet sind und die jeweils geeignet sind, ein chemisches Reduktionsmittel zumindest teilweise zu speichern und unter dessen Beteiligung Stickoxide des Abgases zu reduzieren.
  • Ist der SCR-Katalysator allerdings zu heiß (z. B. ab einer Temperatur von 600°C), ist die Speicherkapazität des Zeolith im SCR-Katalysator gänzlich erschöpft und ein Ammoniakfüllstandsbetrieb ist nicht mehr möglich. Diese Temperatur tritt beispielsweise unter Volllastbetrieb der Verbrennungsmaschine oder in der Regenerationsphase eines im Abgasstrang befindlichen Dieselpartikelfilters auf. Mit steigender Temperatur wird in steigendem Maße das Reduktionsmittel oxidiert, noch bevor es durch die Stickoxide abreagiert wird, d. h. bevor es reduzierend wirken kann. In diesem Fall geht somit Reduktionsmittel verloren und eine erhöhte Menge an Stickoxiden ist weiterhin vorhanden, welche in die Umwelt gelangen kann.
  • Bei kontinuierlich dosierten geringen Dosiermengen des Abgasnachbehandlungsstoffes, dies ist z. B. bei niedriglastigen Betriebspunkten in der Dieselpartikelfilterregeneration der Fall, nimmt bei Abgastemperaturen oberhalb von 550°C die Oxidation des Abgasnachbehandlungsstoffes stark zu, und somit steigt der Verbrauch an Abgasnachbehandlungsstoff für hohe NOx-Umsätze. Ab Abgastemperaturen von ca. 650°C wird quasi der ganze eindosierte Abgasnachbehandlungsstoff oxidiert. Somit ist bei diesen hohen Temperaturen kein Reduktionsmittel mehr vorhanden. Es kann die Abgasnachbehandlungsstoff-Oxidation bei den sehr hohen Temperaturen sogar zu einer Erhöhung der NOx-Emissionen führen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein System zur Abgasnachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors in einem Abgasnachbehandlungssystem mit mindestens einem ersten, mindestens einem zweiten und mindestens einem dritten Katalysator bereitzustellen, die in möglichst jedem Lastbetrieb des Verbrennungsmotors die auftretenden Stickoxide weitestgehend minimieren und dabei den Verlust an Abgasnachbehandlungsstoff weitestgehend verhindern.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren und einem System gemäß den Patentansprüchen gelöst.
  • Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, dass durch einen Injektor, der sich im Abgasstrang zwischen dem Verbrennungsmotor und einem ersten SCR – nachfolgend auch als zweiter Katalysator bezeichnet – befindet, bei hohen Temperaturen (z. B. mehr als 600°C) gepulst, d. h. stoßweise, ein entsprechender Abgasnachbehandlungsstoff eingespritzt wird. Somit kann der Abgasnachbehandlungsstoff den extrem heißen ersten SCR-Kat passieren, und das Reduktionsmittel kann zu einem stromabwärts beabstandeten zweiten SCR-Kat – nachfolgend auch als dritter Katalysator bezeichnet – gelangen. Generell ist der zweite SCR, der sogenannte Unterboden-SCR, aufgrund der Wärmeabstrahlung des Verbindungsrohrs kühler. Die Stickoxide können am kühleren zweiten SCR mit einem hohen Wirkungsgrad umgesetzt werden. Aufgrund der Beabstandung zu dem ersten SCR-Kat und zu dem Verbrennungsmotor herrschen in dem zweiten SCR-Kat um mindestens 100°C tiefere Temperaturen (z. B. 500°C in dem zweiten SCR-Kat und 650°C in dem ersten SCR-Kat) und das Reduktionsmittel kann wirksam zum Reduzieren der Stickoxide eingesetzt werden anstatt direkt zu oxidieren bzw. zu verbrennen. Somit können die Stickoxide in allen Lastbetrieben des Verbrennungsmotors, insbesondere im Volllastbetrieb oder in der Regenerationsphase eines vorhandenen Dieselpartikelfilters verringert werden. Erfindungsgemäß sollten diskontinuierlich hohe Abgasnachbehandlungsstoff-Dosierpulse abgesetzt werden. Je nach Betriebspunkt sollte ein kurzer und wiederkehrender Maximalpuls ungespritzt werden. Dazu können gemäß der vorliegenden Erfindung ein über ein PWM-Signal angesteuertes Dosierventil und ein Steuergerät zur Ausgabe eines entsprechenden PWM-(Pulsweitenmodulation)-Signals bereitgestellt werden. Das PWM-Signal kann so eingestellt werden, dass der abgesetzte Maximalpuls aufgrund des eingestellten PWM-Signals nicht verschleppt wird. Eine solche Verschleppung kann bei Frequenzen von deutlich mehr als ein Herz des PWM-Signals auftreten. Dies sollte verhindert werden. Ziel ist es, soviel Abgasnachbehandlungsstoff wie möglich, in so kurzer Zeit wie möglich, vor dem ersten SCR-Kat in die Abgasanlage zu dosieren.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors in einem Abgasnachbehandlungssystem mit mindestens einem ersten, stromaufwärts angeordneten Katalysator geeignet zur Oxidation von Schadstoffen aus den Abgasen des Verbrennungsmotors und/oder geeignet zur Stickoxidreduktion und in Strömungsrichtung folgend mindestens einem zweiten und mindestens einem dritten Katalysator geeignet zur selektiven katalytischen Reduktion mit den folgenden Schritten: Messen der momentanen Abgastemperatur, Bestimmen der momentan benötigten Dosierung des Abgasnachbehandlungsstoffes, stoßweises Einspritzen eines Vielfachen der momentan benötigten Dosierung des Abgasnachbehandlungsstoffes unter Berücksichtigung der momentanen Abgastemperatur in das Abgasnachbehandlungssystem, wobei das stoßweise Einspritzen innerhalb von 0,03 s bis 3 s, vorzugsweise 0,2 s, in einen Abgasstrang zwischen dem stromaufwärts angeordneten, ersten Katalysator und dem mindestens einen zweiten Katalysator erfolgt und wobei ein Teil des eingespritzten Abgasnachbehandlungsstoffes in den mindestens einen dritten Katalysator gelangt.
  • Das Abgasnachbehandlungssystem kann in einem Abgasstrang beginnend bei dem Verbrennungsmotor und endend mit dem Endrohr des Abgasstrangs enthalten sein. Der mindestens eine erste Katalysator ist dabei dem Verbrennungsmotor näher als der mindestens eine zweite Katalysator und der mindestens eine zweite Katalysator ist wiederum dem Verbrennungsmotor näher als der mindestens eine dritte Katalysator. Der mindestens eine erste Katalysator ist stromabwärts von dem Verbrennungsmotor etwa 5 cm bis 40 cm und der mindestens eine zweite Katalysator ist von dem mindestens einem ersten Katalysator etwa 10 cm bis 60 cm beabstandet. Der mindestens eine dritte Katalysator ist stromabwärts etwa 1 bis 1,50 m von dem mindestens einen zweiten Katalysator beabstandet.
  • In einer Ausführungsform kann der mindestens eine erste, stromaufwärts angeordnete Katalysator ein Oxidationskatalysator und/oder ein Oxidationskatalysator mit Stickoxidspeicherfunktion und/oder ein Drei-Wege-Katalysator (TWC) sein. Auch kann der mindestens eine erste Katalysator ein Diesel-Oxidations-Katalysator (Diesel-Oxidation-Catalyst – DOC) und/oder ein Lean-NOx-Trap-Katalysator (LNT-Katalysator) und/oder ein NOx-Speicherkatalysator und/oder ein Zwei-Wege-Katalysator sein. Ein Drei-Wege-Katalysator kann zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid, und/oder NOx geeignet sein. Ein Diesel-Oxidations-Katalysator kann zur Oxidation von Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffen und/oder schwefelhaltigen Verbindungen geeignet sein. Ein Zwei-Wege-Katalysator kann zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen und/oder Kohlenmonoxid geeignet sein.
  • In einer Ausführungsform ist der mindestens eine zweite Katalysator und/oder der mindestens eine dritte Katalysator ein zur selektiven katalytischen Reduktion geeigneter Partikelfilter, der vorzugsweise mit einer Beschichtung versehen ist, die zur selektiven katalytischen Reduktion geeignet ist.
  • Der mindestens eine zweite Katalysator ist vorzugsweise für einen schnellen „NOx-light-off”, d. h. für eine schnelle Verminderung der Stickoxide, mit einer SCR-Beschichtung versehen. Dies hat den Vorteil, dass bei Motorkaltstarts geringe Emissionen ausgestoßen werden. Vorzugsweise ist der mindestens eine zweite Katalysator ein Partikelfilter mit besagter SCR-Beschichtung für einen schnellen „NOx-light-off”, d. h. für eine schnelle Verminderung der Stickoxide. Dieser Partikelfilter kann daher im Folgenden auch als SCRF bezeichnet werden. Auch kann der mindestens eine zweite Katalysator eine SCR-Beschichtung und ein Partikelfilterelement aufweisen.
  • Der von dem mindestens einen zweiten Katalysator bzw. von dem SCR-beschichteten Partikelfilter beabstandete mindestens eine dritte Katalysator ist vorzugsweise auch für hohe Lasten, d. h. hohe Temperaturen, ausgelegt. Vorzugsweise kann der mindestens eine dritte Katalysator ebenfalls ein SCR-beschichteter Partikelfilter sein.
  • Der mindestens eine dritte Katalysator kann im Folgenden auch als SCR bezeichnet werden. Das Einbringen bzw. Einspritzen des Abgasnachbehandlungsstoffes, d. h. des Reduktionsmittels, kann erfindungsgemäß über einen einzelnen Injektor erfolgen, der sich vor dem motornahen SCRF, d. h. der sich unmittelbar vor dem mindestens einen zweiten Katalysator befindet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform können sich allerdings auch noch ein oder mehrere Injektoren für das Einbringen bzw. Einspritzen des Abgasnachbehandlungsstoffes vor oder nach dem motornahen SCRF entlang des Abgasstrangs befinden. Gemäß einer Ausführungsform befindet sich noch ein weiterer Injektor zwischen dem SCRF und dem SCR, d. h. zwischen dem mindestens einen zweiten und dem mindestens einen dritten Katalysator.
  • Die momentane Abgastemperatur kann dabei vorzugsweise unmittelbar stromabwärts nach dem Verbrennungsmotor gemessen werden. Erfindungsgemäß kann die Abgastemperatur auch an verschiedenen Stellen des Abgasnachbehandlungssystems bzw. des Abgasstrangs gemessen werden. So kann die momentane Abgastemperatur auch in den Katalysatoren bzw. unmittelbar vor oder nach den Katalysatoren, gemessen werden. So kann die momentane Abgastemperatur vorzugsweise in den zweiten und dritten Katalysatoren bzw. unmittelbar vor oder nach den zweiten und dritten Katalysatoren, gemessen werden.
  • Durch eine sogenannte Online-Dosierung, dem zweiten Betriebszustand der Abgasnachbehandlung mit einem Abgasnachbehandlungsstoff, kann bei hohen Temperaturen, z. B. mehr als 600°C, auch ohne Füllstandsbetrieb ein NOx-Umsatz im SCR-Katalysator, d. h. in dem mindestens einen dritten Katalysator, erfolgen. Dabei kann kontinuierlich genau jene Menge an Ammoniak eingespritzt werden, welche auch unmittelbar wieder durch die vorhandenen Stickoxide abreagiert werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird die momentan benötigte Dosierung des Abgasnachbehandlungsstoffes in Abhängigkeit von dem momentanen Lastbetrieb des Verbrennungsmotors, der momentanen Abgastemperatur, und/oder der Speicherkapazität an Abgasnachbehandlungsstoff des SCRF und/oder des SCR, d. h. der Speicherkapazität des mindestens einen zweiten und/oder des mindestens einen dritten Katalysators, bestimmt. Gemäß einer Ausführungsform wird genau die Menge an Abgasnachbehandlungsstoff bestimmt, welche unter Idealbedingungen, d. h. beispielsweise ohne Berücksichtigung der temperaturbedingten Oxidation, instantan bzw. momentan wieder durch die in dem Abgas befindlichen Stickoxide abreagiert wird bzw. werden würde.
  • Durch stoßweises Einspritzen, d. h. gepulstes Einspritzen, des Zweifachen bis Vierfachen der momentan benötigten Dosierung des Abgasnachbehandlungsstoffes kann der SCRF, d. h. der mindestens eine zweite Katalysator, passiert werden und das Reduktionsmittel gelangt in den SCR, d. h. in den mindestens einen dritten Katalysator. Aufgrund der dort vorherrschenden tieferen Temperaturen (ungefähr 100 bis 150°C weniger als im SCRF bzw. in dem mindestens einen zweiten Katalysator) kann der Abgasnachbehandlungsstoff/das Reduktionsmittel die im Abgas vorhandenen Stickoxide in dem SCR, d. h. in dem mindestens einen dritten Katalysator, reduzieren anstatt zu verbrennen. Erfindungsgemäß wird durch stoßweises Einspritzen, d. h. gepulstes Einspritzen, eines Vielfachen, beispielsweise des Zwei- bis Zweihundertfachen, der momentan benötigten Dosierung des Abgasnachbehandlungsstoffes der SCRF bzw. der mindestens eine zweite Katalysator bzw. ein Teil des Innenraums des SCRF bzw. des mindestens einen zweiten Katalysators gekühlt. Die Kühlung kann erfindungsgemäß auch lokal, d. h. in einem bestimmten Bereich des Innenraums des SCRF bzw. des mindestens einen zweiten Katalysators erfolgen. Durch die Kühlung wird die Temperatur in dem SCRF bzw. dem mindestens einen zweiten Katalysator reduziert und die temperaturbedingte Oxidation verringert. In dem SCRF bzw. dem mindestens einen zweiten Katalysator kann das Reduktionsmittel wirksam zum Reduzieren der Stickoxide eingesetzt werden anstatt direkt zu oxidieren bzw. zu verbrennen. Des Weiteren können erfindungsgemäß die hohen eingespritzten Abgasnachbehandlungsstoff-Mengen wegen physikalischer und/oder chemischer Trägheit (Thermolyse, Hydrolyse, Oxidation) in der Kürze der Zeit des Einspritzvorgangs weniger oxidiert werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform hegt zwischen zwei Einspritzvorgängen ein Zeitintervall von mindestens einer Sekunde und maximal zwanzig Sekunden, vorzugsweise 5 Sekunden.
  • Durch die geeignete Auswahl eines im Vergleich zum Zeitintervall zwischen zwei Einspritzvorgängen kurzen Einspritzvorgangs kann gewährleistet werden, dass die eingespritzte Menge des Abgasnachbehandlungsstoffes nicht kontinuierlich bzw. quasi-kontinuierlich, sondern gepulst eingespritzt wird. So wird erreicht, dass der Abgasnachbehandlungsstoff reduzierend wirken kann, bevor vor allem bei hoher Temperatur, z. B. mehr als 600°C, das Reduktionsmittel bzw. der Abgasnachbehandlungsstoff in zunehmendem Maße oxidiert wird. Das Zeitintervall zwischen zwei Einspritzvorgängen wird dabei so ausgewählt, dass es ungefähr ein bis zwei Größenordnungen größer ist als das Zeitintervall des eigentlichen Einspritzvorgangs.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist der Verbrennungsmotor ein Dieselmotor.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Abgasnachbehandlungsstoff eine wässrige Harnstofflösung und/oder ammoniakhaltig. Eine solche wässrige Harnstofflösung kann beispielsweise AdBlue und/oder eine wässrige Harnstofflösung nach einer der folgenden Normen sein: ISO 22241, DIN 70070, AUS32.
  • In einer weiteren Ausführungsform wird in einem Volllastbereich des Verbrennungsmotors und/oder einer Regenerationsphase des mindestens einen Katalysators eine höhere Dosierung des Abgasnachbehandlungsstoffes als in einem Teillastbereich des Verbrennungsmotors und/oder einer Nichtregenerationsphase des mindestens einen Partikelfilters in das Abgasnachbehandlungssystem eingespritzt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Verbrennungsmotor für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug geeignet und das Einspritzen des Abgasnachbehandlungsstoffes erfolgt unter Berücksichtigung der Last bzw. des Lastbetriebs des Verbrennungsmotors entsprechend der momentanen Fahrsituation des Kraftfahrzeugs.
  • Das Kraftfahrzeug kann dabei ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen sein. Die Erfindung ist dabei nicht ausschließlich auf die Verwendung in Kraftfahrzeugen beschränkt. Ebenso ist vorliegende Erfindung anwendbar auf Zweiräder, Dreiräder oder All-terrainvehicle, Schiffe oder (Klein-)Flugzeuge.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Abgasnachbehandlungssystem zur Abgasnachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors mit: mindestens einem ersten, stromaufwärts angeordneten Katalysator geeignet zur Oxidation von Schadstoffen aus den Abgasen des Verbrennungsmotors und/oder geeignet zur Stickoxidreduktion, in Strömungsrichtung folgend mindestens einem zweiten und mindestens einem dritten Katalysator geeignet zur selektiven katalytischen Reduktion, mindestens einem Sensor, der geeignet ist die Abgastemperatur zu messen, mindestens einem Injektor zum Einspritzen des Abgasnachbehandlungsstoffes in einen Abgasstrang zwischen dem ersten und dem zweiten Katalysator, und mit mindestens einem Steuergerät, welches geeignet ist, die momentan benötigte Dosierung des Abgasnachbehandlungsstoffes zu bestimmen und das Einspritzen des Vielfachen der momentan benötigten Dosierung des Abgasnachbehandlungsstoffes unter Berücksichtigung der momentanen Abgastemperatur in das Abgasnachbehandlungssystem zu steuern, wobei das Steuergerät ferner geeignet ist das stoßweise Einspritzen so zu steuern, dass das Einspritzen innerhalb von 0,03 s bis 3 s, vorzugsweise 0,2 s, zwischen dem ersten und dem zweiten Katalysator erfolgt und dass ein Teil des eingespritzten Abgasnachbehandlungsstoffes in den dritten Katalysator gelangt.
  • Zur Bestimmung der momentan benötigten Dosierung des Abgasnachbehandlungsstoffes kann das Steuergerät mit dem mindestens einen Sensor, der geeignet ist, die Abgastemperatur zu messen, verbunden sein.
  • Durch die vorliegende Erfindung kann vor allem vor dem Hintergrund immer strenger werdender Abgasnormen, die Realverkehrsemissionen berücksichtigen, in jedem Lastbetrieb des Verbrennungsmotors bzw. in jeder Fahrsituation des Kraftfahrzeugs eine möglichst hohe Menge an Stickoxiden reduziert werden und der Verlust an Abgasnachbehandlungsstoff weitestgehend verhindert werden.
  • Des Weiteren kann die relative NH3-Oxidation verringert werden. Auch kann sich eine Kosteneinsparung ergeben, weil es zur Erfüllung der strenger werdenden Abgasgesetzgebungen ausreicht, nur ein Abgasnachbehandlungsstoff-Dosiermodul vor dem zweiten Katalysator vorzusehen. Optional kann gemäß einer weiteren Ausführungsform ein zweites Abgasnachbehandlungsstoff-Dosiermodul nach dem SCRF bzw. dem mindestens einen zweiten Katalysator und vor dem mindestens einen dritten Katalysator zusätzlich vorgesehen werden. Aufgrund der ”Überdosierung” des Abgasnachbehandlungsstoffes kommt es einerseits zu lokaler Abkühlung und andererseits reicht die Zeit nicht aus, die hohen Abgasnachbehandlungsstoff-Mengen wegen physikalischer und/oder chemischer Trägheit (Thermolyse, Hydrolyse, Oxidation) zu oxidieren. Somit kann der Abgasnachbehandlungsstoff über den SCRF in den kühleren Unterboden-SCR verlagert werden und dort genutzt werden. Ein hoher NOx-Umsatz kann somit für eine gewisse Zeit (bis zum nächsten Einspritzpuls) wegen dem eingespeicherten NH3 im Unterboden-SCR erreicht werden. Ein weiterer Vorteil des Maximalpulsens ist die Verringerung der Sekundäremissionen Methan und Lachgas.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen und der Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigt:
  • 1 (einzige Figur) eine schematische Zeichnung eines Abgasnachbehandlungssystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Verbrennungsmotor 10, vorliegend bevorzugt ein Dieselmotor, ist so mit einem Abgasstrang 60 verbunden, dass die bei der Verbrennung des Kraftstoffs auftretenden Abgase in den Abgasstrang 60 eingeleitet werden. In ungefähr 5 cm bis 40 cm Abstand vom Verbrennungsmotor befindet sich ein erster Katalysator 20 geeignet zur Oxidation von Schadstoffen aus den Abgasen des Verbrennungsmotors und zur Stickoxidreduktion. In ungefähr 10 cm bis 30 cm Abstand von dem ersten Katalysator 20 befindet sich stromabwärts ein Injektor 50, der an dem Abgasstrang derart angebracht ist, dass ein Abgasnachbehandlungsstoff, vorliegend bevorzugt eine wässrige Harnstofflösung, in den Abgasstrang eingespritzt werden kann. Der Abgasnachbehandlungsstoff wird dabei mit einem Druck von 6 bar und einer Einspritzzeit von 200 ms eingespritzt. In einem Abstand von ungefähr 30 cm zu dem Injektor befindet sich stromabwärts ein zweiter Katalysator, der gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein erster Partikelfilter 30 ist, der für die Reduktion der Stickoxide mit einer Zeolith-SCR-Beschichtung versehen ist und damit zusätzlich als zweiter, motornaher Katalysator dient. Dieser motornahe Partikelfilter 30 wird auch als SCRF bezeichnet. In einem Abstand von ungefähr 1,0 bis 1,5 m befindet sich stromabwärts beabstandet von dem SCRF 30 ein dritter Katalysator 40. Auch dieser dritte Katalysator 40 ist mit einer Zeolith-SCR-Beschichtung versehen. Das stromabwärtige Ende des dritten Katalysators 40 ist mit dem Rest des Abgasstrangs 60 verbunden. Der Rest des Abgasstrangs kann einen oder mehrere Schalldämpfer aufweisen (nicht dargestellt).
  • Bei Betrieb des Verbrennungsmotors unter niedriger Last, z. B. in einem Fahrzeug bei Fahrt mit niedriger Geschwindigkeit, z. B. bis ungefähr 130 km/h, liegt die Abgastemperatur in oder in dem Bereich kurz vor dem zweiten Katalysator 30, d. h. dem ersten Partikelfilter 30, bis etwa 400°C. In diesem Temperaturbereich erfolgt die Einspritzung der wässrigen Harnstofflösung vorzugsweise über den sogenannten Füllstandsbetrieb, wobei kontinuierlich wässrige Harnstofflösung eingespritzt wird und die Speicherfähigkeit der Zeolith-SCR-Katalysatoren ausgenutzt wird. Bei Temperaturen von 500°C und mehr, z. B. bei Volllastbetrieb des Motors bei hohen Drehzahlen des Motors bzw. bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten, beispielsweise ab 160 km/h, und/oder auch während der Dieselpartikelfilterregeneration ist kein Füllstandsbetrieb mehr möglich. Die Zeolith-SCR-Katalysatoren verlieren bei solchen Temperaturen ihre Speicherfähigkeit von Ammoniak. Erfindungsgemäß wird bei solchen Lastbetrieben bzw. bei solchen Temperaturen von beispielsweise 550°C und mehr die wässrige Harnstofflösung durch den Injektor 50 gepulst, d. h. stoßweise mit einer Stoßdauer von ungefähr 200 ms in den Abgasstrang 60 eingespritzt. Ein Steuergerät 70 ist dafür mit einem Temperatursensor 80, der sich unmittelbar vor dem ersten Partikelfilter 30 befindet, verbunden. Anhand der momentanen Temperatur, die durch den Temperatursensor 80 gemessen wird, kann das Steuergerät 70 die momentan benötigte Dosis des Abgasnachbehandlungsstoffes bestimmen. Vorzugsweise wird genau die Menge an Abgasnachbehandlungsstoff bestimmt, welche unter Idealbedingungen, d. h. beispielsweise ohne Berücksichtigung der temperaturbedingten Oxidation, instantan bzw. momentan wieder durch die in dem Abgas befindlichen Stickoxide abreagiert wird bzw. werden würde.
  • Das Steuergerät 70 steuert nun den Injektor 50 so, dass für einen Zeitraum von 200 ms ein Vielfaches der momentan benötigten Dosierung des Abgasnachbehandlungsstoffes unter Berücksichtigung der momentanen Abgastemperatur in den Abgasstrang 60 eingespritzt wird. Diese Injektion bzw. dieser Einspritzvorgang wird in einem Zeitintervall von einer Sekunde bis 20 Sekunden, vorzugsweise 5 Sekunden, je nach momentaner Abgastemperatur wiederholt. Durch die bewusste Überdosierung des Abgasnachbehandlungsstoffes wird erreicht, dass der zweite Katalysator 30 bzw. der erste Partikelfilter mit SCR-Beschichtung gekühlt wird. Durch die Kühlung wird die Temperatur in dem zweiten SCR-beschichteten Katalysator 30 dabei soweit reduziert, dass die temperaturbedingte Oxidation verringert oder ganz verhindert wird und in dem zweiten Katalysator 30 das Reduktionsmittel wirksam zum Reduzieren der Stickoxide eingesetzt werden kann anstatt direkt zu oxidieren bzw. zu verbrennen.
  • Des Weiteren wird durch die bewusste Überdosierung des Abgasnachbehandlungsstoffes erreicht, dass nur ein geringer Teil des Abgasnachbehandlungsstoffes in dem ersten Partikelfilter oxidiert bzw. verbrennt und somit ein Großteil des Abgasnachbehandlungsstoffes stromabwärts entlang des Abgasstrangs in den dritten Katalysator 40 gelangt. Der dritte Katalysator 40 weist dabei eine um mindestens 100°C tiefere Temperatur als der zweite Katalysator 30, d. h. vorliegend der SCRF 30, üblicherweise eine um 150°C tiefere Temperatur, auf, so dass in dem dritten Katalysator 40 der Abgasnachbehandlungsstoff nicht verbrennt und dort effektiv die Stickoxide reduzieren kann. Dadurch wird erreicht, dass auch bei Abgastemperaturen, die bei hohen Lastbetrieben, z. B. bei Vollgasfahrten eines Kraftfahrzeugs und/oder der Dieselpartikelfilterregeneration, auftreten die bei der Verbrennung in dem Dieselmotor entstehenden Stickoxide effektiv reduziert werden können.
  • Obwohl die Erfindung mittels der Figuren und der zugehörigen Beschreibung dargestellt und detailliert beschrieben ist, sind diese Darstellung und diese detaillierte Beschreibung illustrativ und beispielhaft zu verstehen und nicht als die Erfindung einschränkend. Es versteht sich, dass Fachleute Änderungen und Abwandlungen machen können, ohne den Umfang und den Geist der folgenden Ansprüche zu verlassen. Insbesondere umfasst die Erfindung ebenfalls Ausführungsformen mit jeglicher Kombination von Merkmalen, die vorstehend oder nachfolgend zu verschiedenen Ausführungsformen genannt oder gezeigt sind.
  • Die Erfindung umfasst ebenfalls einzelne Merkmale in den Figuren auch wenn sie dort im Zusammenhang mit anderen Merkmalen gezeigt sind und/oder vorstehend oder nachfolgend nicht genannt sind. Auch können die in den Figuren und der Beschreibung beschriebenen Alternativen von Ausführungsformen und einzelne Alternativen deren Merkmale vom Erfindungsgegenstand beziehungsweise von den offenbarten Gegenständen ausgeschlossen sein. Die Offenbarung umfasst Ausführungsformen, die ausschließlich die in den Ansprüchen beziehungsweise in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmale umfasst sowie auch solche, die zusätzliche andere Merkmale umfassen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102006027357 A1 [0005]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • ISO 22241 [0025]
    • DIN 70070 [0025]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Abgasnachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors in einem Abgasnachbehandlungssystem mit mindestens einem ersten, stromaufwärts angeordneten Katalysator geeignet zur Oxidation von Schadstoffen aus den Abgasen des Verbrennungsmotors und/oder geeignet zur Stickoxidreduktion und in Strömungsrichtung folgend mindestens einem zweiten und mindestens einem dritten Katalysator geeignet zur selektiven katalytischen Reduktion mit den folgenden Schritten: – Messen der momentanen Abgastemperatur, – Bestimmen der momentan benötigten Dosierung des Abgasnachbehandlungsstoffes, – stoßweises Einspritzen eines Vielfachen der momentan benötigten Dosierung des Abgasnachbehandlungsstoffes unter Berücksichtigung der momentanen Abgastemperatur in das Abgasnachbehandlungssystem, wobei das stoßweise Einspritzen innerhalb von 0,03 s bis 3 s, vorzugsweise 0,2 s, in einen Abgasstrang zwischen dem stromaufwärts angeordneten, ersten Katalysator und dem mindestens einen zweiten Katalysator erfolgt und wobei ein Teil des eingespritzten Abgasnachbehandlungsstoffes in den mindestens einen dritten Katalysator gelangt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich der mindestens eine erste, stromaufwärts angeordnete Katalysator und der in Strömungsrichtung folgende, mindestens eine zweite Katalysator in der Nähe des Verbrennungsmotors befinden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, wobei der mindestens eine erste, stromaufwärts angeordnete Katalysator ein Oxidationskatalysator und/oder ein Oxidationskatalysator mit Stickoxidspeicherfunktion und/oder ein Drei-Wege-Katalysator ist und/oder der mindestens eine zweite Katalysator und/oder der mindestens eine dritte Katalysator ein zur selektiven katalytischen Reduktion geeigneter Partikelfilter ist, vorzugsweise mit einer Beschichtung versehen, die zur selektiven katalytischen Reduktion geeignet ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zwischen zwei Einspritzvorgängen ein Zeitintervall von mindestens 1 s und maximal 20 s, vorzugsweise 5 s liegt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Verbrennungsmotor ein Dieselmotor ist und/oder wobei der Abgasnachbehandlungsstoff eine wässrige Harnstofflösung und/oder ammoniakhaltig ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 bzw. nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei in einem Vollastbereich des Verbrennungsmotors und/oder einer Regenerationsphase des mindestens einen Partikelfilters eine höhere Dosierung des Abgasnachbehandlungsstoffes als in einem Teillastbereich des Verbrennungsmotors und/oder einer Nichtregenerationsphase des mindestens einen Partikelfilters in das Abgasnachbehandlungssystem eingespritzt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug geeignet ist und wobei das Einspritzen des Abgasnachbehandlungsstoffes unter Berücksichtigung der Last des Verbrennungsmotors entsprechend der momentanen Fahrsituation des Kraftfahrzeugs erfolgt.
  8. Abgasnachbehandlungssystem zur Abgasnachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors mit: mindestens einem ersten, stromaufwärts angeordneten Katalysator geeignet zur Oxidation von Schadstoffen aus den Abgasen des Verbrennungsmotors und/oder geeignet zur Stickoxidreduktion, in Strömungsrichtung folgend mindestens einem zweiten und mindestens einem dritten Katalysator geeignet zur selektiven katalytischen Reduktion, mindestens einem Sensor, der geeignet ist die Abgastemperatur zu messen, mindestens einem Injektor zum Einspritzen des Abgasnachbehandlungsstoffes in einen Abgasstrang zwischen dem ersten und dem zweiten Katalysator, und mit mindestens einem Steuergerät, welches geeignet ist, die momentan benötigte Dosierung des Abgasnachbehandlungsstoffes zu bestimmen und das Einspritzen eines Vielfachen der momentan benötigten Dosierung des Abgasnachbehandlungsstoffes unter Berücksichtigung der momentanen Abgastemperatur in das Abgasnachbehandlungssystem zu steuern, wobei das Steuergerät ferner geeignet ist das stoßweise Einspritzen so zu steuern, dass das Einspritzen innerhalb von 0,03 s bis 3 s, vorzugsweise 0,2 s, zwischen dem ersten und dem zweiten Katalysator erfolgt und dass ein Teil des eingespritzten Abgasnachbehandlungsstoffes in den dritten Katalysator gelangt.
  9. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 8, wobei sich der mindestens eine erste, stromaufwärts angeordnete Katalysator und der in Strömungsrichtung folgende, mindestens eine zweite Katalysator in der Nähe des Verbrennungsmotors befinden.
  10. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 8 oder 9, wobei der mindestens eine erste, stromaufwärts angeordnete Katalysator ein Oxidationskatalysator und/oder ein Oxidationskatalysator mit Stickoxidspeicherfunktion und/oder ein Drei-Wege-Katalysator ist und/oder der mindestens eine zweite Katalysator und/oder der mindestens eine dritte Katalysator ein zur selektiven katalytischen Reduktion geeigneter Partikelfilter ist, vorzugsweise mit einer Beschichtung versehen, die zur selektiven katalytischen Reduktion geeignet ist und/oder mit mindestens einem weiteren Injektor zum Einspritzen des Abgasnachbehandlungsstoffes in den Abgasstrang zwischen dem zweiten und dem dritten Katalysator.
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