DE102014223491A1 - Abgasbehandlungsvorrichtung und Verfahren zur Abgasbehandlung - Google Patents

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Abstract

Eine Abgasbehandlungsvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine (12), insbesondere einen Dieselmotor, hat einen in einem Abgasstrang (14) angeordneten, über eine Heizeinrichtung (18) beheizbaren, passiven NOx-Speicherkatalysator (20) und einen dem passiven NOx-Speicherkatalysator (20) nachgeschalteten SCR-Katalysator (28) mit einer Vorrichtung (30) zur Zufuhr einer NH3 freisetzenden Substanz, sowie einer Steuereinheit (24), die die Heizeinrichtung (18) so steuern kann, dass der passive NOx-Speicherkatalysator (20) unabhängig von einer durch die Verbrennungskraftmaschine (12) vorgegebenen Abgastemperatur erhitzt werden kann. Es ist eine Gaszufuhreinrichtung (66) vorgesehen, die eine von der Verbrennungskraftmaschine (12) unabhängige Gasströmung durch den Abgasstrang (14) erzeugen kann, sodass nach dem Abschalten der Verbrennungskraftmaschine (12) für eine vorbestimmte Zeitspanne eine Gasströmung durch den Abgasstrang (14) erzeugt werden kann. Gleichzeitig wird der passive NOx-Speicherkatalysator (20) auf eine Temperatur oberhalb dessen Desorptionstemperatur erhitzt wird und der SCR-Katalysator (28) auf dessen Betriebstemperatur gehalten wird, wobei der passive NOx-Speicherkatalysator (20) entladen wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Abgasbehandlungsvorrichtung und ein Verfahren zur Abgasbehandlung für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für einen Dieselmotor.
  • Zur Erfüllung der Euro-6-Abgasnorm findet bei leichten Fahrzeugen, also beispielsweise Personenkraftwagen, im Serieneinsatz ein aktiver NOX-Speicherkatalysator (NSC) zur Stickoxidreduktion Verwendung.
  • Für schwere Fahrzeuge (beispielsweise Lastkraftwagen) ist ein aktiver NOX-Speicherkatalysator aufgrund der höheren Stickoxidemissionen nicht mehr ausreichend, sodass zusätzlich ein aktiver SCR-Katalysator am Unterboden des Fahrzeugs verbaut wird. Um die gewünschte selektive katalytische Reaktion durchzuführen, wird dem SCR-Katalysator eine Ammoniak liefernde Substanz, meistens eine wässrige Harnstofflösung, zugeführt, wobei im SCR-Katalysator das Ammoniak mit den Stickoxiden zu molekularem Stickstoff und Wasser reagiert.
  • Bei aktiven NOX-Speicherkatalysatoren ist ein Adsorbermaterial vorgesehen, meist in Form einer Beschichtung, das eine gewisse Menge an Stickoxiden chemisch binden kann. Ist die Aufnahmekapazität des Katalysators erschöpft, muss der Katalysator regeneriert werden, wobei durch ein Fettgasangebot die eingespeicherten Stickoxide mit Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen im Abgas zu molekularem Stickstoff und Kohlendioxid reagieren. Um genügend Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe im Abgasstrom bereitzustellen, wird für die Regenerationsphase die Verbrennungskraftmaschine mit einem fetten Gemisch mit λ < 1 betrieben. Nachteilig ist dabei unter anderem, dass eine Regenerierung nicht im Leerlauf erfolgen kann, da dabei der Motor nicht gleichmäßig laufen würde und somit Vibrationen im Fahrzeuginnenraum spürbar wären.
  • Anstelle von aktiven NOX-Speicherkatalysatoren lassen sich auch passive NOX-Speicherkatalysatoren verwenden. Die Bezeichnung „passiv” leitet sich davon ab, dass dieser Typ von Katalysator keine aktive Maßnahme zur Regeneration der eingespeicherten Stickoxide benötigt, da diese ab einer Überschreiten einer Grenztemperatur von alleine ohne Zusatzmaßnahmen desorbieren. Ist beispielsweise die Speicherkapazität des Katalysators erschöpft, kann er durch Erhitzen auf eine Temperatur von etwa 300°C wieder geleert werden, da ab einer Desorptionstemperatur von ca. 260°C die Stickoxide aus dem Katalysatormaterial wieder desorbieren. Mit einem passiven NOX-Speicherkatalysator lässt sich daher nur eine zeitweise Reduktion der Stickoxide im Abgas erreichen. Zudem ist die Abgabe der Stickoxide nicht kontrollierbar, da sie bei hohen Abgastemperaturen spontan erfolgt.
  • In der gattungsgemäßen DE 103 08 287 B4 ist beschrieben, einen NOX-Speicherkatalysator, der mit einem Oxidationskatalysator verbunden ist, stromaufwärts eines SCR-Katalysators einzusetzen, dem eine wässrige Harnstofflösung als Ammoniak liefernde Substanz zugeführt wird. Werden aus dem NOX-Speicherkatalysator bei Überschreiten der Desorptionstemperatur Stickoxide freigesetzt bzw. werden Stickoxide durch den NOX-Speicherkatalysator hindurch geleitet, weil dessen Speicherkapazität erschöpft ist, so werden diese im SCR-Katalysator umgesetzt und vollständig aus dem Abgas entfernt.
  • Nachteilig bei dieser Anordnung ist jedoch, dass der passive NOX-Speicherkatalysator Stickoxide erst ab etwa einer Temperatur von 120°C zu speichern imstande ist. Die sogenannte Light off-Temperatur, also die Temperatur, ab der der Katalysator arbeitet, liegt beim SCR-Katalysator nochmals höher, die Umsetzung der Stickoxide setzt hier erst ab etwa 180°C ein. Bis zu dieser Abgastemperatur erfolgt also weder eine ausreichende Stickoxideinlagerung noch eine ausreichende Umsetzung in nicht reglementierte Substanzen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein derartiges Abgassystem zu verbessern und Stickoxidemissionen im Abgas der Verbrennungskraftmaschine zu reduzieren.
  • Dies wird erfindungsgemäß mit einer Abgasbehandlungsvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere einen Dieselmotor, erreicht, die einen in einem Abgasstrang angeordneten, über eine Heizeinrichtung beheizbaren, passiven NOx-Speicherkatalysator und einen dem passiven NOx-Speicherkatalysator nachgeschalteten SCR-Katalysator mit einer Vorrichtung zur Zufuhr einer NH3 freisetzenden Substanz aufweist. Es ist eine Steuereinheit vorgesehen, die die Heizeinrichtung so steuern kann, dass der passive NOx-Speicherkatalysator unabhängig von einer durch die Verbrennungskraftmaschine vorgegebenen Abgastemperatur erhitzt werden kann. Außerdem ist eine Gaszufuhreinrichtung vorgesehen, die eine von der Verbrennungskraftmaschine unabhängige Gasströmung durch den Abgasstrang erzeugen kann.
  • Durch das unabhängige Aufheizen des passiven NOx-Speicherkatalysators lässt sich zum einen auch bei niedrigen Abgastemperaturen etwa eine Stickoxidspeicherung oder eine Desorption von im passiven NOx-Speicherkatalysator gespeicherten Stickoxiden erreichen.
  • Zum anderen eröffnet die erfindungsgemäße Anordnung die Möglichkeit, die Beladung des passiven NOx-Speicherkatalysators unabhängig vom Betrieb der Verbrennungskraftmaschine zu reduzieren. So kann beispielsweise gezielt beim Abstellen des Fahrzeugs eine thermische Regenerierung des passiven NOx-Speicherkatalysators durchgeführt werden, um freie Speicherkapazität für Stickoxide beim nächsten Fahrzeugstart bereitzustellen.
  • Diese Regenerierung erfolgt vorzugsweise direkt nach dem Abschalten der Verbrennungskraftmaschine. Die hierzu notwendige Wärmeenergie wird durch die Heizeinrichtung bereitgestellt, während der Gasstrom, der für den Transport der Stickoxide durch den Abgasstrang erforderlich ist, durch die Gaszufuhreinrichtung erzeugt wird. So ist sichergestellt, dass bei jedem Fahrzeugstart anfallende Stickoxide sofort im passiven NOx-Speicherkatalysator zwischengespeichert werden können.
  • Hierzu sollte die Steuereinheit die Heizeinrichtung nach Abstellen der Verbrennungskraftmaschine so betreiben, dass diese den passiven NOx-Speicherkatalysator auf eine Temperatur oberhalb dessen Desorptionstemperatur erhitzt. Auf diese Weise kann die Desorption der im passiven NOx-Speicherkatalysator eingespeicherten Stickoxide unabhängig vom Betrieb der Verbrennungskraftmaschine veranlasst werden.
  • Die Gaszufuhreinrichtung umfasst beispielsweise einen stromaufwärts des passiven NOx-Speicherkatalysators angeordneten, elektrisch betriebenen Verdichter, über den die Gasströmung durch den Abgasstrang unabhängig von der Verbrennungskraftmaschine erzeugt wird.
  • Die Steuereinheit, die Heizeinrichtung, die Vorrichtung zur Zufuhr einer Ammoniak freisetzende Substanz und der Verdichter sind vorzugsweise jeweils mit einer elektrischen Batterie verbunden und werden von dieser mit der zu ihrem Betrieb notwendigen Energie versorgt, so dass das gesamte System zur Stickoxidreduktion unabhängig von der Verbrennungskraftmaschine betreibbar ist. Es kann eine einzige Batterie für diesen Zweck vorgesehen sein, oder es können mehrere getrennte Batterien verwendet werden.
  • Die Batterie ist beispielsweise Teil eines elektrischen Fahrzeug-Bordnetzes. In einer bevorzugten Variante weist die Batterie einen oder mehrere 48 V Li-Ionen-Akkus auf.
  • Der Verdichter der Gaszufuhreinrichtung lässt sich z. B. in einem Ladeluftpfad der Verbrennungskraftmaschine anordnen. Auf diese Weise ist der Verdichter vor den hohen Temperaturen im Abgasstrang geschützt, und es lässt sich eine im Fahrzeug vorhandene Struktur für die Gaszufuhr nutzen. Der Verdichter ist vorzugsweise zusätzlich zu einem Verdichter eines Abgas-Turboladers im Ladeluftpfad vorgesehen. Es wäre jedoch auch denkbar, einen elektrischen Zusatzantrieb für den Verdichter des Abgas-Turboladers vorzusehen, der über die Batterie betrieben und über die Steuereinheit angesteuert wird.
  • Wenn im Fahrzeug eine Hochdruck-Abgasrückführung vorgesehen ist, die eine Strömungsverbindung zwischen einem Abgaskrümmer der Verbrennungskraftmaschine und dem Ladeluftpfad schafft, kann diese in der Gaszufuhreinrichtung genutzt werden, um die Gasströmung durch den Abgasstrang zu bewirken. Hierzu wird die Hochdruck-Abgasrückführung in der umgekehrten Richtung durchströmt, in der im normalen Fahrbetrieb das Abgas zur Verbrennungskraftmaschine zurückgeführt wird. So lässt sich einfach eine Verbindung vom Ladeluftpfad zum Abgasstrang schaffen, die nur auf bereits im Fahrzeug vorhandenen Komponenten beruht. Es ist möglich, einen Bypass der Hochdruck-Abgasrückführung zu nutzen, es kann aber auch ein vorhandener Abgaskühler durchströmt werden.
  • Die Heizeinrichtung kann dem passiven NOx-Speicherkatalysator vorgeschaltet oder in diesen integriert sein. Beispielsweise ist der passive NOx-Speicherkatalysator durch eine katalytisch wirkende Beschichtung in der Heizeinrichtung selbst, z. B. auf einem Heizkatalysator, gebildet. Bekannter Heizkatalysatoren können beispielsweise ihre Betriebstemperatur nach einer kurzen Zeitspanne von etwa 15–60 Sekunden erreichen. Der passive NOx-Speicherkatalysator sollte möglichst direkt an die Heizeinrichtung anschließen. Insbesondere in diesem Fall kann die Heizeinrichtung in axialer Richtung deutlich kürzer ausgebildet sein als der passive NOx-Speicherkatalysator.
  • Die Heizeinrichtung kann ausschließlich auf das Aufheizen des passiven NOx-Speicherkatalysators ausgelegt sein. Vorzugsweise ist die Heizeinrichtung jedoch auch selbst als passiver NOx-Speicherkatalysator ausgebildet, beispielsweise, indem er eine katalytisch aktive Beschichtung aufweist.
  • Bevorzugt ist die Heizeinrichtung so angeordnet, dass sie auch den stromabwärts des passiven NOx-Speicherkatalysators liegenden SCR-Katalysator aufheizt, etwa über das erwärmte durchströmende Gas. Dies kann sowohl im normalen Fahrzeugbetrieb als auch nach Abschalten der Verbrennungskraftmaschine geschehen.
  • Der Abstand zwischen dem passiven NOx-Speicherkatalysator und dem SCR-Katalysator beträgt beispielsweise zwischen 100 und 1200 mm, wobei sich herausgestellt hat, dass ein Abstand (Strömungslänge) zwischen 200 und 400 mm besonders gute Werte liefert.
  • Die Steuereinrichtung ist bevorzugt so ausgelegt, dass sie die Heizeinrichtung bei Betrieb der Verbrennungskraftmaschine so betreiben kann, dass diese den passiven NOx-Speicherkatalysator auf eine Temperatur oberhalb einer Light-Off-Temperatur, aber unterhalb einer Desorptionstemperatur erhitzt. So wird bei einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine die Zeitspanne bis zum Beginn der Stickoxidspeicherung deutlich verkürzt, da der passive NOx-Speicherkatalysator unabhängig von der Abgastemperatur auf eine Temperatur aufgeheizt wird, bei der eine Stickoxideinlagerung erfolgt. Außerdem sollte auch im normalen Fahrzeugbetrieb bei laufender Verbrennungskraftmaschine die Steuereinrichtung den passiven NOx-Speicherkatalysator gezielt auf eine Temperatur oberhalb der Desorptionstemperatur erhitzen können, um auch in diesem Betriebszustand eine Regenerierung zu ermöglichen.
  • Die NH3 freisetzende Substanz kann wie bekannt eine wässrige Harnstofflösung sein, die beispielsweise unter der Marke AdBlue® im Handel erhältlich ist.
  • Der SCR-Katalysator lässt sich mit einem Partikelfilter kombinieren und kann z. B. als katalytisch aktive Beschichtung auf einen Partikelfilter aufgebracht sein. Auf diese Weise sind die Abgasbehandlungsvorrichtung und das gesamte Abgassystem kompakter gestaltbar.
  • Der passive NOx-Speicherkatalysator kann direkt bei einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine auf zumindest die Light-Off-Temperatur aufgeheizt werden.
  • Ist das Fahrzeug, in dem die Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, beispielsweise mit einer Start-Stopp-Automatik versehen, ist es möglich, den passiven NOx-Speicherkatalysator durchgehend oberhalb der Light-Off-Temperatur, also oberhalb von etwa 120°C zu halten, auch während der Fahrtunterbrechungen bei abgeschalteter Verbrennungskraftmaschine. Bei einem erneuten Starten der Verbrennungskraftmaschine können dann die entstehenden Stickoxide sofort aufgenommen werden. Dies gilt auch bei einem Hybridantrieb, bei dem die Verbrennungskraftmaschine bedarfsweise zugeschaltet wird.
  • Es ist denkbar, auch bei derartigen kurzen Stopps der Verbrennungskraftmaschine die Gaszufuhreinrichtung in Betrieb zu nehmen, um eine Gasströmung durch den Abgasstrang aufrechtzuerhalten.
  • Auch wenn eine Umsetzung der Stickoxide im SCR-Katalysator bereits bei niedrigeren Temperaturen beginnt, wird dieser vorzugsweise in einem Normalbetrieb der Verbrennungskraftmaschine bei einer Temperatur von etwa 200°C und 500°C betrieben. Diese Temperatur wird hauptsächlich durch die vorherrschende Abgastemperatur vorgegeben. Bei abgeschalteter Verbrennungskraftmaschine wir der SCR-Katalysator bevorzugt mit einer möglichst niedrigen, aber zur Umsetzung der Stickoxide ausreichend hohen Temperatur betrieben, um den Energieverbrauch durch die Heizeinrichtung möglichst gering zu halten.
  • Im Nomalbetrieb bei laufender Verbrennungskraftmaschine bei höheren Abgastemperaturen über etwa 260°C, also ab der Desorptionstemperatur des passiven NOx-Speicherkatalysators, werden die dort gespeicherten Stickoxide wieder freigesetzt und im nachgeschalteten SCR-Katalysator direkt umgesetzt, sodass in diesem Fall der passive NOX-Speicherkatalysator stets höchstens teilweise beladen ist.
  • Der Betrieb der Heizeinrichtung kann bei laufender Verbrennungskraftmaschine bei niedrigen Abgastemperaturen grundsätzlich, vorteilhaft aber jedenfalls bis zum dauerhaften Erreichen einer über der Light-Off-Temperatur liegenden Abgastemperatur erfolgen. Dies gilt insbesondere, wenn die Heizeinrichtung so ausgelegt ist, dass sie auch den nachgeschalteten SCR-Katalysator auf seine Betriebstemperatur bringt.
  • Passive NOx-Speicherkatalysatoren haben zudem die Eigenschaft, im Abgas enthaltene Schwefelverbindungen zu speichern. Dieser Schwefel muss wiederkehrend ausgetrieben werden. Als Richtwert kann ein Intervall von ca. 500 km angenommen werden. Die Schwefel-Regeneration geschieht prinzipiell mittels zwei Methoden: Rein thermisch bei hohen Temperaturen oberhalb von ca. 650°C bei magerem Abgas oder durch eine chemische Umsetzung mit Kohlenwasserstoffen bzw. Kohlenmonoxid in einem fetten Abgas, ebenfalls bei hohen Temperaturen. Die Zeitdauer für die Regeneration beträgt etwa zwischen 2 und 25 Minuten.
  • Der passive NOx-Speicherkatalysator wird erfindungsgemäß bezüglich Stickoxid-Regeneration stets passiv betrieben, während eine Schwefel-Regeneration vorzugsweise mittels einer chemischen Umsetzung bei hohen Temperaturen mit einem fetten Abgasgemisch in geeigneten Abständen bei Betrieb der Verbrennungskraftmaschine durchgeführt wird.
  • Die hierzu notwendige hohe Temperatur des NOx-Speicherkatalysators kann durch die Heizeinrichtung erzeugt werden, während der Kohlenwasserstoffgehalt des Abgases durch eine geeignete Steuerelektronik der Verbrennungskraftmaschine vorgegeben werden kann.
  • Die oben beschriebene Abgasbehandlungsvorrichtung lässt sich so betreiben, dass nach dem Abschalten der Verbrennungskraftmaschine für eine vorbestimmte Zeitspanne eine Gasströmung durch den Abgasstrang erzeugt und gleichzeitig der passive NOx-Speicherkatalysator auf einer Temperatur oberhalb dessen Desorptionstemperatur erhitzt und der SCR-Katalysator auf dessen Betriebstemperatur gehalten werden, wobei der passive NOx-Speicherkatalysator entladen wird. Die austretenden Stickoxide werden mit dem zugeführten Ammoniak im SCR-Katalysator umgesetzt. So wird sichergestellt, dass bei einem erneuten Start der Verbrennungskraftmaschine eine ausreichende Stickoxid-Speicherkapazität im passiven NOx-Speicherkatalysator bereitsteht.
  • Die vorbestimmte Zeitspanne ist so bemessen, dass der passive NOx-Speicherkatalysator zumindest in dem Maß entladen wird, dass beim Neustart der Verbrennungskraftmaschine eine ausreichende Stickoxid-Speicherkapazität besteht, bis auch der SCR-Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat und die Stickoxide im Abgas abgebaut werden können.
  • Bevorzugt wird nach Abschalten der Verbrennungskraftmaschine der Verdichter der Gaszufuhreinrichtung und die Heizeinrichtung betrieben, sowie vorteilhaft auch die Vorrichtung zur Zufuhr einer NH3 freisetzenden Substanz. Alle diese Komponenten werden elektrisch über die dafür vorgesehene Batterie betrieben und durch die Steuereinrichtung überwacht und angesteuert.
  • Die Inbetriebnahme dieser Komponenten erfolgt insbesondere direkt nach Abschalten der Verbrennungskraftmaschine.
  • Der Gasstrom wird vorzugsweise über die Hochdruck-Abgasrückführung von einem Ladeluftpfad zu einem Abgaskrümmer der Verbrennungskraftmaschine geleitet, wobei die Hochdruck-Abgasrückführung in der zum normalen Fahrzeugbetrieb umgekehrten Richtung durchströmt wird.
  • Um den Strömungswiderstand im Abgasstrang zu reduzieren, kann nach Abschalten der Verbrennungskraftmaschine ein Leitapparat einer Turbine eines Abgas-Turboladers maximal geöffnet werden. Bevorzugt wird der Abgas-Turbolader in diesem Betriebszustand nicht betrieben, sodass das Abgas an der stillstehenden Turbine vorbeiströmt. Wird jedoch der Verdichter des Abgas-Turboladers zur Erzeugung des Gasstroms eingesetzt, würde hierdurch auch die Turbine bewegt, was die Gasströmung zusätzlich verstärken kann.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Die Figuren zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß einer ersten Variante zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
  • 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß einer zweiten Variante zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 1 zeigt ein Abgassystem 10 einer Verbrennungskraftmaschine 12, beispielsweise eines Dieselmotors eines Pkw oder Lkw, bei dem in einem Abgasstrang 14 eine Abgasbehandlungsvorrichtung 16 vorgesehen ist.
  • Die Abgasbehandlungsvorrichtung 16 umfasst hier eine stromabwärts der Verbrennungskraftmaschine 12 angeordnete Heizeinrichtung 18 und einen passiven NOx-Speicherkatalysator 20, der durch die Heizeinrichtung 18 aufgeheizt werden kann.
  • Die Heizeinrichtung 18 hat in diesem Beispiel die Form einer schmalen, elektrisch beheizbaren Scheibe mit einem identischen Querschnitt wie der passive NOx-Speicherkatalysator 20, aber nur einer Länge von ca. 15 mm, und ist dem passiven NOx-Speicherkatalysator 20 direkt vorgeschaltet.
  • Die Heizeinrichtung 18 umfasst beispielsweise einen Heizkatalysator, der eine NOx-adsorbierende Beschichtung aufweist, sodass er als passiver NOx-Speicherkatalysator wirkt. Es wäre aber auch möglich, die Heizeinrichtung 18 nur zum Aufheizen des passiven NOx-Speicherkatalysators 20 einzusetzen. Auch denkbar wäre es, die Heizeinrichtung 18 komplett in den passiven NOx-Speicherkatalysator 20 zu integrieren und beide Bauteile zusammenzufassen.
  • Die Heizeinrichtung 18 ist mit einer Steuereinheit 24, einer (nicht dargestellten) Fahrzeugelektrik sowie einer elektrischen Batterie 26 verbunden. Die Batterie 26 ist hier Teil eines elektrischen Bordnetzes des Fahrzeugs ist und kann eine Spannungsversorgung von 48 V bereitstellen.
  • Der passive NOX-Speicherkatalysator 20 ist in diesem Beispiel als eine katalytisch aktive Beschichtung auf einem Substrat aufgebracht.
  • Es ist möglich, dass der Heizkatalysator sowie gegebenenfalls auch der passive NOx-Speicherkatalysator 20 zusätzlich als Oxidationskatalysator wirkt, um Stickstoffmonoxid in Stickstoffdioxid umzuwandeln, oder auch eine andere weitere, geeignete Funktion erfüllt.
  • Stromabwärts des passiven NOX-Speicherkatalysators 20 ist im Abgasstrang 14 ein SCR-Katalysator 28 angeordnet, der von dem vom passiven NOX-Speicherkatalysator 20 kommenden Abgas durchströmt wird.
  • Dem SCR-Katalysator 28 wird durch eine Vorrichtung 30 eine wässrige Harnstofflösung als NH3 erzeugende Substanz zugeführt, die hier wie bekannt in den Abgasstrang direkt stromaufwärts des SCR-Katalysators 28 eingebracht wird.
  • Der SCR-Katalysator 28 ist hier mit einem Partikelfilter kombiniert und ist als katalytisch aktive Beschichtung auf ein Substrat des Partikelfilters aufgebracht.
  • Der SCR-Katalysator 28 befindet sich in diesem Beispiel in einem Abstand stromabwärts des passiven NOX-Speicherkatalysators 20, der zwischen 100 und 1200 mm liegt und vorzugsweise zwischen 200 und 400 mm beträgt. Der Abstand ist die Länge der jeweiligen Leitung an der Leitungsmittelachse gemessen und entspricht der Strömungslänge, die das Abgas zurücklegt.
  • Der passive NOX-Speicherkatalysator 20 ist hier unmittelbar an der Verbrennungskraftmaschine 12 zu Beginn des Abgasstrangs 14 angeordnet, mit maximal etwa 200 mm Abstand zur Verbrennungskraftmaschine 12.
  • Außerdem ist in diesem Beispiel im Abgasstrang 14 noch ein Partikelfilter 32 vorgesehen, der in dieser Variante zwischen dem passiven NOx-Speicherkatalysator 20 und der Vorrichtung 30 angeordnet ist.
  • Über einen Schalldämpfer 34 verlässt das Abgas den Abgasstrang 14.
  • Das Abgassystem 10 weist in dieser Variante eine Niederdruck-Abgasrückführung 36 auf, die stromaufwärts der Vorrichtung 30 vom Abgasstrang 14 abzweigt und zwischen einer Ansaugluftaufbereitung 38 und einem Verdichter 40 eines Abgas-Turboladers 42 in einen Ladeluftpfad 44 mündet.
  • Der Flansch des Abgas-Turboladers 42 im Abgasstrang 14, an dem eine Turbine 45 des Abgas-Turboladers 42 angeordnet ist, kann unmittelbar stromaufwärts des passiven NOx-Speicherkatalysators 20 platziert sein.
  • Außerdem ist eine Hochdruck-Abgasrückführung 46 vorgesehen, die eine Strömungsverbindung von einem Abgaskrümmer 48 zum Ladeluftpfad 44 schafft. Über die Hochdruck-Abgasrückführung 46 gelangt im Normalbetrieb heißes Abgas direkt aus dem Abgaskrümmer 48 zurück zum Lufteinlass der Verbrennungskraftmaschine 12. Das Abgas kann in einem Abgaskühler 50 heruntergekühlt werden, dieser ist jedoch durch eine Bypassleitung 52 überbrückbar. Die Strömung durch die Hochdruck-Abgasrückführung 46 ist durch ein Hochdruck-Abgasrückführventil 54 unterbindbar.
  • Im Ladeluftpfad 44 ist zwischen einem Ladeluftkühler 56 und der Einmündung 58 der Leitung der Hochdruck-Abgasrückführung 46 ein durch einen Elektromotor 60 angetriebener Verdichter 62 angeordnet. Der Verdichter 62 ist für den normalen Fahrzeugbetrieb mittels einer Bypassleitung 64 überbrückbar.
  • Der Betrieb der Abgasbehandlungsvorrichtung 16 und des Abgassystems 10 im normalen Fahrzeugbetrieb, also bei laufender Verbrennungskraftmaschine 12, wird im Folgenden beschrieben.
  • Bei einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine 12 wird mit dem Starten der Verbrennungskraftmaschine 12 die Heizeinrichtung 18 aktiviert, sodass der passive NOX-Speicherkatalysator 20 aufgeheizt wird, in diesem Fall auf eine Temperatur von etwa 120°C, sodass er seine Speicherkapazität für Stickoxide entfaltet.
  • Durch die Heizwirkung wird auch das zum SCR-Katalysator 28 weiterströmende Abgas aufgeheizt, sodass auch dieser nach einer relativ kurzen Zeit seine unterste Betriebstemperatur (Light off-Temperatur) von etwa 180°C erreicht. Ab diesem Zeitpunkt erfolgt eine chemische Umsetzung der Stickoxide im SCR-Katalysator auf bekanntem Weg mit der zugeführten Harnstofflösung zu molekularem Stickstoff und Wasser, sodass das weiterströmende Abgas frei von Stickoxiden ist.
  • Bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der SCR-Katalysator 28 seine Tätigkeit aufnimmt, werden die Stickoxide im passiven NOX-Speicherkatalysator 20 zwischengespeichert. Dessen Speicherkapazität ist entsprechend zu bemessen.
  • Im normalen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 12 liegen die Abgastemperaturen höher, sodass der SCR-Katalysator mit einer Temperatur von etwa 200 bis 500°C betrieben wird.
  • Ab einer Temperatur von etwa 260°C beginnt das im passiven NOX-Speicherkatalysator 20 gespeicherte Stickoxid von der katalytischen Beschichtung zu desorbieren. Ab einer Temperatur des passiven NOX-Speicherkatalysators 20 von etwa 260°C muss daher die Temperatur des SCR-Katalysators 28 bei mindestens 180°C, besser bei etwa 200°C liegen, damit desorbierende Stickoxide zuverlässig im SCR-Katalysator 28 umgesetzt werden.
  • Die hohen Betriebstemperaturen verhindern durch die ständig erfolgende Desorption eingelagerter Stickoxide eine vollständige Belegung des passiven NOX-Speicherkatalysators 20.
  • Die Heizeinrichtung 18 wird in diesem Beispiel vorrangig betrieben, wenn die Abgastemperatur unter etwa 120–160°C sinkt. Die Abgastemperatur lässt sich beispielsweise durch einen nicht gezeigten Temperatursensor im Abgasstrang 14 erfassen.
  • Es ist auch möglich, bei laufender Verbrennungskraftmaschine 12 die Heizeinrichtung 18 gezielt einzusetzen, um Stickoxide aus dem passiven NOx-Speicherkatalysator 20 auszutreiben. In diesem Fall wird der passive NOx-Speicherkatalysator 20 durch die Heizeinrichtung 18 über seine Desorptionstemperatur erhitzt, sodass die gespeicherten Stickoxide freigesetzt werden. Diese werden dann im nachgeschalteten SCR-Katalysator 28 chemisch umgesetzt.
  • Um sicherzugehen, das bei einem Neustart der Verbrennungskraftmaschine 12 eine ausreichende Stickoxid-Speicherkapazität besteht, werden die Abgasbehandlungsvorrichtung 16 und das Abgassystem 10 direkt nach dem Abschalten der Verbrennungskraftmaschine 12 in einem von der Verbrennungskraftmaschine 12 unabhängigen Betriebsmodus betrieben.
  • Zu diesem Zeitpunkt befindet sich normalerweise der SCR-Katalysator 28 auf seiner Betriebstemperatur, sodass er vom passiven NOx-Speicherkatalysator 20 freigesetzte Stickoxide umsetzen kann.
  • Die Heizeinrichtung 18 wird eingeschaltet, um den passiven NOx-Speicherkatalysator 20 so weit aufzuheizen, dass die in ihm gespeicherten Stickoxide desorbieren. Außerdem wird die Vorrichtung 30 zur Zufuhr einer NH3 freisetzenden Substanz betrieben, um Ammoniak in den Abgasstrang 14 einzubringen.
  • Über eine von der Verbrennungskraftmaschine 12 unabhängige Gaszufuhreinrichtung 66, die hier den Verdichter 62, den Ladeluftpfad 44 und die Hochdruck-Abgasrückführung 46 umfasst, wird ein Gasstrom durch den Abgasstrang 14 erzeugt. Hierzu wird der Elektromotor 60 gestartet, sodass über den Verdichter 62 ein Gasstrom im Ladeluftpfad 44 erzeugt wird. Um trotz Stillstand der Verbrennungskraftmaschine 12 eine Strömungsverbindung zum Abgasstrang 14 herzustellen, wird das Hochdruck-Abgasrückführ-Ventil 54 geöffnet, sodass Umgebungsluft über die Ansaugluft-Aufbereitung 38, den Verdichter 40 des Abgas-Turbolader 42, den Ladeluftkühler 56, und die Hochdruck-Abgasrückführung 46 zum Abgaskrümmer 48 und von dort in den Abgasstrang 14 gelangt. Die Hochdruck-Abgasrückführung 46 wird dabei in umgekehrter Strömungsrichtung durchströmt wie im normalen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 12.
  • Um den Strömungswiderstand im Abgasstrang 14 zu reduzieren, wird ein (nicht näher dargestellter) Leitapparat der Turbine 45 des Abgas-Turboladers 42 weitmöglichst geöffnet.
  • Der passive NOx-Speicherkatalysator 20 wird durch die Heizeinrichtung 18 über dessen Desorptionstemperatur erhitzt, sodass die dort gespeicherten Stickoxide desorbieren.
  • Mit dem durch den Abgasstrang 14 strömenden Gasstrom werden die Stickoxide zum SCR-Katalysator 28 transportiert, wo sie mit dem eingebrachten Ammoniak umgesetzt werden, bevor sie den Abgasstrang 14 verlassen.
  • Durch die mit dem Gasstrom mitgeführte Wärme wird der SCR-Katalysator 28 auf dessen Betriebstemperatur gehalten, sodass die Stickoxide vollständig umgesetzt werden.
  • Dieser Betriebszustand wird für eine vorbestimmte Zeitspanne aufrecht erhalten, die so lang bemessen ist, dass im NOx-Speicherkatalysator 20 eine ausreichende Stickoxid-Speicherkapazität geschaffen wird, um beim nächsten Start der Verbrennungskraftmaschine 12 ausreichend Stickoxide aufnehmen zu können, bis der SCR-Katalysator 28 seine Betriebstemperatur erreicht hat.
  • Der Betrieb der zur Regenerierung des NOx-Speicherkatalysators 20 notwendigen Komponenten erfolgt bei Stillstand der Verbrennungskraftmaschine 12 vollständig über die von der Batterie 26 gelieferte elektrische Energie. Der Vorgang wird in diesem Beispiel vollständig von der Steuereinheit 24 gesteuert und überwacht, die mit sämtlichen Komponenten verbunden ist und die ihre elektrische Energie ebenfalls von der Batterie 26 bezieht.
  • Anstatt einen separaten Verdichter 62 im Ladeluftpfad 44 vorzusehen, wäre es auch möglich, den Verdichter 40 des Abgas-Turboladers 42 mit dem Elektromotor 60 zu koppeln und so direkt anzutreiben, um eine Gasströmung durch den Ladeluftpfad 44 zu erzeugen.
  • 2 zeigt eine zweite Variante des eben beschriebenen Abgassystems 10.
  • Im Gegensatz zum gerade beschriebenen Beispiel zweigt im Abgassystem 10' die Niederdruck-Abgasrückführung 36 nach einem SCR-Filter 28' vom Abgasstrang 14 ab, während der SCR-Katalysator 28 stromabwärts der Abzweigung angeordnet ist.
  • Außerdem ist in dieser Variante eine motornahe Ladeluftkühlung 70 vorgesehen, die unmittelbar stromaufwärts eines Lufteinlasses der Verbrennungskraftmaschine 12 angeordnet ist und die hier zusätzlich zum normalen Ladeluftkühler 56 vorgesehen ist. Ansonsten entspricht das Abgassystem 10' dem Abgassystem 10.
  • Sämtliche Merkmale der beiden Varianten können selbstverständlich im Ermessen des Fachmanns miteinander kombiniert oder gegeneinander ausgetauscht werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10308287 B4 [0006]

Claims (9)

  1. Abgasbehandlungsvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine (12), insbesondere einen Dieselmotor, mit einem in einem Abgasstrang (14) angeordneten, über eine Heizeinrichtung (18) beheizbaren, passiven NOx-Speicherkatalysator (20) und einem dem passiven NOx-Speicherkatalysator (20) nachgeschalteten SCR-Katalysator (28) mit einer Vorrichtung (30) zur Zufuhr einer NH3 freisetzenden Substanz, sowie einer Steuereinheit (24), die die Heizeinrichtung (18) so steuern kann, dass der passive NOx-Speicherkatalysator (20) unabhängig von einer durch die Verbrennungskraftmaschine (12) vorgegebenen Abgastemperatur erhitzt werden kann, wobei eine Gaszufuhreinrichtung (66) vorgesehen ist, die eine von der Verbrennungskraftmaschine (12) unabhängige Gasströmung durch den Abgasstrang (14) erzeugen kann.
  2. Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszufuhreinrichtung (66) einen stromaufwärts des passiven NOx-Speicherkatalysators (20) angeordneten, elektrisch betriebenen Verdichter (62) umfasst.
  3. Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (24), die Heizeinrichtung (18), die Vorrichtung (30) zur Zufuhr einer NH3 freisetzende Substanz und der Verdichter (62) jeweils mit einer elektrischen Batterie (26) verbunden sind.
  4. Abgasbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (62) in einem Ladeluftpfad (44) für die Verbrennungskraftmaschine (12) angeordnet ist.
  5. Abgasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hochdruck-Abgasrückführung (46) vorgesehen ist, die eine Strömungsverbindung zwischen einem Abgaskrümmer (48) der Verbrennungskraftmaschine (12) und dem Ladeluftpfad (44) schafft.
  6. Verfahren zum Betrieb einer Abgasbehandlungsvorrichtung (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem nach dem Abschalten der Verbrennungskraftmaschine (12) für eine vorbestimmte Zeitspanne eine Gasströmung durch den Abgasstrang (14) erzeugt und gleichzeitig der passive NOx-Speicherkatalysator (20) auf eine Temperatur oberhalb dessen Desorptionstemperatur erhitzt und der SCR-Katalysator (28) auf dessen Betriebstemperatur gehalten werden, wobei der passive NOx-Speicherkatalysator (20) entladen wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass während der vorbestimmten Zeitspanne ein Verdichter (62) der Gaszuführeinrichtung (66) und die Heizeinrichtung (18) betrieben werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom über eine Hochdruck-Abgasrückführung (46) von einem Ladeluftpfad (44) zu einem Abgaskrümmer (48) der Verbrennungskraftmaschine (12) geleitet wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschalten der Verbrennungskraftmaschine (12) ein Leitapparat einer Turbine (45) eines Abgas-Turboladers (42) maximal geöffnet wird.
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