DE102015200023A1 - Verwendung einer stromaufwärts eines Stickoxidspeicherkatalysators angeordneten elektrischen Heizvorrichtung - Google Patents

Verwendung einer stromaufwärts eines Stickoxidspeicherkatalysators angeordneten elektrischen Heizvorrichtung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) zum Nachbehandeln eines durch die Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) strömenden Abgasstroms (5). Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) besitzt einen Stickoxidspeicherkatalysator (2) und einen stromabwärts des Stickoxidspeicherkatalysators (2) angeordneten SCR-Katalysator (4). Außerdem sind eine stromaufwärts des Stickoxidspeicherkatalysators (2) angeordnete erste elektrische Heizvorrichtung (3), welche ausgebildet ist, den Abgasstrom (5) zu erwärmen, und ein stromabwärts des Stickoxidspeicherkatalysators (2) und stromabwärts des SCR-Katalysators (4) angeordneter Dieselpartikelfilter (6) vorgesehen. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein mit einer solchen Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) ausgestattetes Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kraftfahrzeuges.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung, ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Abgasnachbehandlungsvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kraftfahrzeugs.
  • Die Emissionen von Kraftfahrzeugen unterliegen gesetzlichen Bestimmungen, die das Ziel haben, Umweltbelastungen durch den Kraftfahrzeugverkehr zu vermindern. Dies trifft insbesondere auf den Ausstoß von Umweltgiften wie Stickoxiden zu. Hierbei ist es bekannt, einen Stickoxidspeicherkatalysator vorzusehen, der in einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges enthaltene Stickoxide an seiner Oberfläche adsorbiert und so speichert. Solche Stickoxidspeicherkatalysatoren werden auch Lean-NOx-Traps (LNT) oder Magerstickoxidfallen genannt. Da die Aufnahmefähigkeit des Stickoxidspeicherkatalysators begrenzt ist, kann der Stickoxidspeicherkatalysator regeneriert werden. Hierfür kann ein fettes Kraftstoffgemisch für den Verbrennungsmotor erzeugt werden. Ebenfalls ist es möglich, per Spätnacheinspritzung dem Abgasstrom unverbrannten Kraftstoff beizumischen. In beiden Fällen reagieren die in dem fetten Abgasstrom enthaltenen Kohlenwasserstoffe mit den in dem Stickoxidspeicherkatalysator gespeicherten Stickoxiden und zersetzen sie auf diese Weise.
  • Die Erfindung macht es sich zur Aufgabe, die Wirksamkeit der Abgasnachbehandlung zu verbessern.
  • Die Erfindung führt daher eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung zum Nachbehandeln eines durch die Abgasnachbehandlungsvorrichtung strömenden Abgasstroms ein. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung besitzt einen Stickoxidspeicherkatalysator und einen stromabwärts des Stickoxidspeicherkatalysators angeordneten SCR-Katalysator (SCR, Selective Catalytic Reduction). Außerdem sind eine stromaufwärts des Stickoxidspeicherkatalysators angeordnete erste elektrische Heizvorrichtung vorgesehen, welche ausgebildet ist, den Abgasstrom zu erwärmen, und ein stromabwärts des Stickoxidspeicherkatalysators und stromabwärts des SCR-Katalysators angeordneter Dieselpartikelfilter vorgesehen.
  • Die erste elektrische Heizvorrichtung besitzt den Vorteil, dass der Abgasstrom vor Eintreten in den Stickoxidspeicherkatalysator erhitzt werden kann. Die hierfür aufgewandte elektrische Leistung kann über eine sogenannte Lichtmaschine oder im Zuge einer Bremskraftrekuperation bereitgestellt werden, wobei im letzteren Fall vorteilhafterweise kein erhöhter Kraftstoffverbrauch zu erwarten ist. Durch den aufgeheizten Abgasstrom wird mittelbar auch der Stickoxidspeicherkatalysator erwärmt. Die Erwärmung des Stickoxidspeicherkatalysators hat die Wirkung, dass eine Aufnahmekapazität des Stickoxidspeicherkatalysators nach einem Kaltstart erhöht wird, so dass auch in der ersten Zeit nach dem Kaltstart der Ausstoß von Stickoxiden verringert werden kann, indem bei dem Kaltstart oder kurz danach die erste elektrische Heizvorrichtung aktiviert wird. Außerdem kann durch das Erwärmen das Spülen des Stickoxidspeicherkatalysators bei fettem Abgasgemisch effizienter gestaltet werden, so dass die Regeneration des Stickoxidspeicherkatalysators in einer kürzeren Zeit erfolgen kann, was Kraftstoff einspart. Da stromabwärts des Stickoxidspeicherkatalysators ein SCR-Katalysator angeordnet ist, kann außerdem eine Aufheizung des Stickoxidspeicherkatalysators verwendet werden, um die im Stickoxidspeicherkatalysator adsorbierten Stickoxide thermisch zu desorbieren und von dem stromabwärts gelegenen SCR-Katalysator katalytisch in ungefährliche umwandeln zu lassen. Ferner kann die Erwärmung des Stickoxidspeicherkatalysators durchgeführt werden, um eine Entschwefelung des Stickoxidspeicherkatalysators oder eine Regeneration eines stromabwärts des Stickoxidspeicherkatalysators gelegenen Dieselpartikelfilters zu unterstützen. Das Aufheizen des Abgasstromes durch die erste elektrische Heizvorrichtung kann vorteilhaft verwendet werden, um eine Regeneration des Dieselpartikelfilters, bei der die im Dieselpartikelfilter abgelagerten Partikel durch Oxidation entfernt werden, zu unterstützen.
  • Vorzugsweise ist die erste elektrische Heizvorrichtung unmittelbar stromaufwärts des Stickoxidspeicherkatalysators angeordnet, wodurch eine schnellstmögliche Erwärmung des Stickoxidspeicherkatalysators nach Aktivieren der ersten Heizvorrichtung erreicht wird.
  • Die erste elektrische Heizvorrichtung kann beispielsweise ein Heizgitter sein. Heizgitter sind zuverlässig und preiswert in der Herstellung.
  • Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung kann mit einer zweiten elektrischen Heizvorrichtung ausgestattet sein, die stromabwärts des Stickoxidspeicherkatalysators und stromaufwärts des SCR-Katalysators angeordnet ist. Die zweite elektrische Heizvorrichtung kann beispielsweise vorteilhaft genutzt werden, um den SCR-Katalysator unabhängig von dem Stickoxidspeicherkatalysator aufzuheizen. Dadurch können die optimalen Temperaturen für beide Katalysatoren weitgehend unabhängig voneinander eingestellt werden.
  • Es kann außerdem vorgesehen sein, stromaufwärts des SCR-Katalysators eine Harnstoffeinspritzvorrichtung vorzusehen, welche ausgebildet ist, Harnstofflösung in den Abgasstrom einzuspritzen. Die Harnstofflösung kann bei der katalytischen Zersetzung von Stickoxiden chemisch wirken.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung.
  • Ein weiterer Erfindungsaspekt betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Kraftfahrzeuges, bei dem ein Abgas des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs durch die Abgasnachbehandlungsvorrichtung geleitet wird. Dabei ist es vorgesehen, dass ein Desorptionsvorgang des Stickoxidspeicherkatalysators durchgeführt wird, indem der Abgasstrom durch die erste elektrische Heizvorrichtung aufgeheizt wird.
  • Der Desorptionsvorgang kann ein DeNOx-Vorgang sein. Dabei werden die desorbierten Stickoxide durch den SCR-Katalysator reduziert. Alternativ kann der Desorptionsvorgang ein DeSOx-Vorgang, also eine Entschwefelung, sein, bei dem der Verbrennungsmotor so betrieben wird, dass der Abgasstrom fett ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen Ausschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung; und
  • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung.
  • 1 zeigt einen Ausschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung 1, die von einem Abgasstrom 5 durchströmt wird. Der Abgasstrom 5 wird durch eine erste elektrische Heizvorrichtung 3 nach Bedarf erwärmt und tritt in einen Stickoxid-speicherkatalysator 2 ein, der dem Abgasstrom 5 Stickoxide entzieht, indem er sie an seiner Oberfläche adsorbiert. Die erste elektrische Heizvorrichtung 3 kann beispielsweise nach einem Kaltstart oder in Betriebszuständen, in denen ein Abgasstrom mit einer niedrigen Abgastemperatur erzeugt wird, aktiviert werden, um die Abgastemperatur zu erhöhen. Die durch das Erwärmen angestrebte Abgastemperatur kann je nach Bedarf variieren, beispielsweise kann für einen DeNOx-Vorgang eine andere Abgastemperatur eingestellt werden als für eine Verbesserung der Adsorptionseigenschaften des Stickoxidspeicherkatalysators 2 nach einem Kaltstart.
  • Stromabwärts des Stickoxidspeicherkatalysators 2 ist ein SCR-Katalysator 4 vorgesehen, welche die im Zuge eines DeNOx-Vorgangs von dem Stickoxidspeicherkatalysator 2 desorbierten Stickoxide katalytisch umwandelt. Die erste elektrische Heizvorrichtung 3 kann auch dazu verwendet werden, den SCR-Katalysator über den Abgasstrom 5 auf eine erwünschte geeignete Temperatur aufzuheizen. Der SCR-Katalysator 4 kann unmittelbar stromabwärts des Stickoxidspeicherkatalysators 2 und insbesondere auch zusammen mit dem Stickoxidspeicherkatalysator 2 in einem Gehäuse angeordnet sein. Außerdem vorgesehen ist ein Dieselpartikelfilter 6 (nicht dargestellt), der stromabwärts des SCR-Katalysators 4 angeordnet ist.
  • 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung 1, wobei dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktional entsprechende Gegenstände bezeichnen. Auf eine erneute Wiederholung wird aus Gründen der Klarheit verzichtet, es gilt für das zweite Ausführungsbeispiel das zu dem ersten Gesagte, soweit nicht ausdrücklich Abweichendes festgestellt wird.
  • Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 1 des zweiten Ausführungsbeispiels verfügt über eine zweite elektrische Heizvorrichtung 7, die stromaufwärts des SCR-Katalysators 4 angeordnet ist und verwendet werden kann, um den Abgasstrom 5 unabhängig von der ersten Heizvorrichtung 3 auf eine gewünschte, für den Betrieb des SCR-Katalysators 4 geeignete Temperatur zu bringen.
  • Außerdem ist stromabwärts des SCR-Katalysators 4 ein Dieselpartikelfilter 6 vorgesehen, welcher in dem Abgasstrom 5 enthaltene Partikel aus dem Abgasstrom 5 herausfiltert und in sich ablagert. Stromaufwärts des SCR-Katalysators 4 kann eine Harnstoffeinspritzvorrichtung 8 vorgesehen sein, welche ausgebildet ist, Harnstofflösung in den Abgasstrom einzuspritzen. Solche Harnstofflösung ist beispielsweise unter dem Namen „AdBlue“ erhältlich und kann in einem Kraftfahrzeug in einem mit der Harnstoffeinspritzvorrichtung 8 verbundenen Reservoir 9 mitgeführt werden. Die Harnstofflösung trägt in dem SCR-Katalysator 4 zur chemischen Zersetzung von Stickoxiden bei.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch Ausführungsbeispiele von bevorzugten Ausführungsformen näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Variationen der Erfindung können vom Fachmann aus den gezeigten Ausführungsbeispielen abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert wird, zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Abgasnachbehandlungsvorrichtung
    2
    Stickoxidspeicherkatalysator
    3
    erste elektrische Heizvorrichtung
    4
    SCR-Katalysator
    5
    Abgasstrom
    6
    Dieselpartikelfilter
    7
    zweite elektrische Heizvorrichtung
    8
    Harnstoffeinspritzvorrichtung
    9
    Reservoir

Claims (9)

  1. Eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) zum Nachbehandeln eines durch die Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) strömenden Abgasstroms (5) und mit einem Stickoxidspeicherkatalysator (2), einem stromabwärts des Stickoxidspeicherkatalysators (2) angeordneten SCR-Katalysator (4), einer stromaufwärts des Stickoxidspeicherkatalysators (2) angeordneten ersten elektrischen Heizvorrichtung (3), welche ausgebildet ist, den Abgasstrom (5) zu erwärmen, und einem stromabwärts des Stickoxidspeicherkatalysators (2) und stromabwärts des SCR-Katalysators (4) angeordneten Dieselpartikelfilter (6).
  2. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) des vorhergehenden Anspruchs, bei der die erste elektrische Heizvorrichtung (3) unmittelbar stromaufwärts des Stickoxidspeicherkatalysators (2) angeordnet ist.
  3. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) eines der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste elektrische Heizvorrichtung (3) ein Heizgitter ist.
  4. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) eines der vorhergehenden Ansprüche, mit einer zweiten elektrischen Heizvorrichtung (7), die stromabwärts des Stickoxidspeicherkatalysators (2) und stromaufwärts des SCR-Katalysators (4) angeordnet ist.
  5. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) eines der vorhergehenden Ansprüche, mit einer stromaufwärts des SCR-Katalysators (4) angeordneten Harnstoffeinspritzvorrichtung (8), welche ausgebildet ist, Harnstofflösung in den Abgasstrom (5) einzuspritzen.
  6. Ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
  7. Ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeuges gemäß dem vorhergehenden Anspruch, bei dem ein Abgas des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs durch die Abgasnachbehandlungsvorrichtung (1) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Desorptionsvorgang des Stickoxidspeicherkatalysators (2) durchgeführt wird, indem der Abgasstrom (5) durch die erste elektrische Heizvorrichtung (3) aufgeheizt wird.
  8. Das Verfahren des vorhergehenden Anspruchs, bei dem der Desorptionsvorgang ein DeNOx-Vorgang ist, wobei die desorbierten Stickoxide durch den SCR-Katalysator (4) reduziert werden.
  9. Das Verfahren von Anspruch 7, bei dem der Desorptionsvorgang ein DeSOx-Vorgang ist, wobei der Verbrennungsmotor so betrieben wird, dass der Abgasstrom (5) fett ist.
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