DE102016118309A1 - Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors und Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines solchen Verbrennungsmotors - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein verbrennungsmotorisches Arbeitsverfahren mit dem Zweck einer Erhöhung der Abgastemperatur zur Steigerung der Effizienz eines Abgasnachbehandlungssystems. Dabei ist vorgesehen, dass in dem Abgaskanal des Verbrennungsmotors mindestens ein Katalysator zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) oder ein Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden vorgesehen ist. Um eine Abkühlung des SCR-Katalysators oder des Partikelfilters mit der SCR-wirksamen Beschichtung zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, ist vorgesehen, dass bei niedriger Teillast oder im Schubbetrieb des Verbrennungsmotors die Füllung der Brennräume des Verbrennungsmotors reduziert wird, um eine konvektive Abkühlung des SCR-Katalysators durch einen hohen Volumenstrom an Frischluft durch den Abgaskanal zu vermeiden und somit die Effizienz des SCR-Katalysators zu erhöhen. Ferner ist eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung vorgesehen, mit der sich ein solches Verfahren durchführen lässt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, insbesondere zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, besonders bevorzugt ein verbrennungsmotorisches Arbeitsverfahren mit dem Zweck der Erhöhung einer Abgastemperatur des Verbrennungsmotors zur Steigerung der Effizienz eines Abgasnachbehandlungssystems, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
  • Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellt hohe Anforderungen an motorische Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Die Fahrzeug- und Motorenhersteller sind angehalten, den Verbrauch der Verbrennungsmotoren und die damit verbundenen CO2-Emissionen weiter zu reduzieren. Dies führt unter anderem dazu, dass für Verbrennungsmotoren verbrauchsoptimierte Brennverfahren entwickelt werden. Bei Dieselmotoren konnte durch die Kraftstoff-Direkteinspritzung und verbesserte Brennverfahren eine signifikante Steigerung des Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors erreicht werden. Da bei einem Dieselmotor oder einem mit einem Magerbrennverfahren betriebenen Ottomotor die NOx-Emissionen nicht mehr hinreichend mit einem konventionellen Drei-Wege-Katalysator aus dem Abgas umgesetzt werden können, sind zusätzliche Katalysatoren wie Katalysatoren zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysatoren) notwendig, mit denen die Stickoxid-Emissionen im Abgas reduziert werden können.
  • Zur Reduzierung der Rohemissionen von Verbrennungsmotoren und zur Einhaltung sind bei modernen Verbrennungsmotoren Abgasrückführungen vorgesehen. Diese Abgasrückführungen können sowohl als sogenannte Hochdruck-Abgasrückführungen als auch als Niederdruck-Abgasrückführungen ausgeführt sein. Dabei wird bei einer Hochdruck-Abgasrückführung ein Abgasstrom stromauf einer Turbine des Abgasturboladers entnommen und der Frischluftleitung stromabwärts eines Verdichters des Abgasturboladers zugeführt. Bei einer Niederdruck-Abgasrückführung wird der rückgeführte Abgasstrom stromabwärts der Turbine aus dem Abgaskanal entnommen und stromaufwärts des Verdichters in die Frischluftleitung des Verbrennungsmotors eingeleitet. Die Dosierung eines zurückgeführten Abgasstroms in die Frischluftleitung erfolgt in der Regel mittels eines Abgasrückführungsventils.
  • Aus der DE 10 2008 015 600 A1 ist eine Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor bekannt, bei der Abgas durch einen Partikelfilter geleitet wird, und stromabwärts des Partikelfilters in eine Niederdruck-Abgasrückführung eingeleitet wird. Dazu ist im Abgaskanal stromabwärts der Abzweigung der Niederdruck-Abgasrückführung eine Abgasklappe vorgesehen, mit der der Abgasgegendruck und somit die in die Niederdruck-Abgasrückführung eingeleitete Abgasmenge erhöht werden kann. Während der Regeneration des Partikelfilters wird das Hochdruck-Abgasrückführungs-Ventil vollständig geschlossen und das Niederdruck-Abgasrückführungsventil geöffnet, um die Erwärmung des Partikelfilters zu verbessern und einen Bauteilschutz eines Frischluftkanals des Verbrennungsmotors zu gewährleisten.
  • Aus der DE 10 2013 212 733 A1 ist eine Abgasanlage eines Verbrennungsmotors bekannt, bei dem in einem Hauptpfad der Abgasanlage ein Partikelfilter angeordnet ist, und stromabwärts des Partikelfilters eine Niederdruck-Abgasrückführung aus dem Hauptpfad abzweigt. In der Niederdruck-Abgasrückführung ist in geringem Abstand zum Partikelfilter ein Filterelement angeordnet, welches während der Regeneration des Partikelfilters mit Abgas durchströmt wird, wobei die Erwärmung des Partikelfilters eine hinreichende Erwärmung zur Regeneration des Filterelements bewirkt. Nachteilig an einer solchen Lösung ist jedoch, dass bei einem größeren Abstand zwischen dem Filterelement und dem Auslass des Partikelfilters nicht sichergestellt werden kann, dass der durch die Abgasrückführung geführte Abgasstrom eine zur Regeneration hinreichende Erwärmung des Filterelements bewirkt.
  • Darüber hinaus offenbart die DE 101 39 848 A1 einen Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug mit einer Regel- und Steuereinheit, über die ein Lufteinlassorgan des Verbrennungsmotors derart ansteuerbar ist, dass die dem Verbrennungsmotor zugeführte Luftmenge in Abhängigkeit von der Temperatur in dem Abgasreinigungssystem des Verbrennungsmotors einstellbar ist und ferner im Schubbetrieb die zugeführte Luftmenge in Abhängigkeit von der Temperatur des Abgasreinigungssystems einstellbar ist. Dazu werden die Temperatur in dem Abgasreinigungssystem ermittelt und die Betriebsparameter des Verbrennungsmotors ermittelt und bei geringer Last oder im Schubbetrieb bei Unterschreiten eines vorgegebenen Sollbereichs der Temperatur des Abgasreinigungssystems das Lufteinlassorgan betätigt.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem Verbrennungsmotor das Auskühlen eines Katalysators für die selektive, katalytische Reduktion zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, um eine möglichst hohe Effizienz des SCR-Systems zu erreichen.
  • Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, vorzugsweise eines Dieselmotors, mit einem Abgaskanal, in welchem zumindest ein Katalysator zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet ist, gelöst, wobei im Abgaskanal, vorzugsweise stromaufwärts des Katalysators zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, eine Abgastemperatur ermittelt wird, und die Füllung der Brennräume des Verbrennungsmotors reduziert wird, wenn die Abgastemperatur unterhalb einer Schwellentemperatur liegt. Unter der Füllung des Verbrennungsmotors ist in diesem Zusammenhang die in die Brennräume des Verbrennungsmotors einströmende Gasmenge zu verstehen, welche sich aus der Frischluftmasse und der zurückgeführten Abgasmasse, insbesondere der über eine Hochdruck-Abgasrückführung zurückgeführten Abgasmasse, zusammensetzt. Unter einer Hochdruck-Abgasrückführung ist eine Abgasrückführung zu verstehen, welche Abgas aus den Brennräumen des Verbrennungsmotors oder dem Abgaskanal stromaufwärts einer Turbine des Abgasturboladers entnimmt und diese dem einlassseitigen Frischluftstrom, vorzugsweise stromabwärts einer Drosselklappe des Verbrennungsmotors, zuführt. Zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ist neben einem Reduktionsmittel, insbesondere neben einer wässrigen Harnstofflösung, eine hinreichende Temperatur an dem Katalysator zur selektiven, katalytischen Reduktion notwendig, um die Stickoxide im Abgas des Verbrennungsmotors in molekularen Stickstoff reduzieren zu können. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann verhindert werden, dass der Abgaskanal in einem Betriebspunkt mit niedriger Last oder im Schubbetrieb derart auskühlt, dass in einer folgenden Betriebsphase eine effiziente Umsetzung der Stickoxide nicht unmittelbar, sondern erst nach einer motorischen Aufheizphase möglich ist und es in einer solchen Aufheizphase zu einem Schlupf an Stickoxid-Emissionen kommt. Dabei wird durch die Reduzierung der Füllung der Massenstrom durch den Abgaskanal reduziert, wodurch ein Abkühlen der Komponenten zur Abgasnachbehandlung und insbesondere des Katalysators zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, verlangsamt wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren verbleibt der Katalysator zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden somit länger in seinem effizienten Betriebsbereich, sodass die Stickoxid-Emissionen reduziert werden können.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterentwicklungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung möglich.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Füllung durch ein Anstellen einer in einer Ansaugleitung des Verbrennungsmotors angeordneten Drosselklappe reduziert wird. Durch ein Abstellen der Drosselklappe kann auf effiziente Weise die Füllung der Brennräume des Verbrennungsmotors reduziert und der Massenstrom durch den Abgaskanal reduziert werden.
  • In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abgasrückführungsrate prozentual zu der dem Verbrennungsmotor zugeführten Frischluftmenge zumindest im Wesentlichen konstant gehalten wird. Unter einer im Wesentlichen konstanten Abgasrückführungsrate ist eine Abweichung von maximal 5 Prozent, vorzugsweise maximal 3 Prozent, besonders bevorzugt von weniger als 2 Prozent zu verstehen. Dadurch lässt sich auf einfache Art und Weise ein Verhältnis über das gesamte Betriebskennfeld des Verbrennungsmotors festlegen, wobei nur wenige Betriebsartübergänge berücksichtigt werden müssen und somit das allgemeine Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors und insbesondere ein Fahrverhalten eines Kraftfahrzeuges, in dem der Verbrennungsmotor als Antriebsaggregat eingebaut ist, verbessert werden kann. Dadurch sind keine weiteren motorischen Maßnahmen notwendig, welche zu veränderten NOx-Rohemissionen und/oder einer erhöhten Partikelemission des Verbrennungsmotors führen.
  • In einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Drosselklappe in einem Schubbetrieb des Verbrennungsmotors angestellt wird und somit der Strömungsquerschnitt der Ansaugleitung stark versperrt wird. Unter einer starken Versperrung ist eine Versperrung betriebspunktabhängig von mindestens 60%, vorzugsweise von mindestens 80 Prozent, besonders bevorzugt von mindestens 85% des Strömungsquerschnitts der Ansaugleitung zu verstehen. In einem Schubbetrieb kommt es in den Brennräumen des Verbrennungsmotors zu keiner Verbrennung eines zündfähigen Verbrennungsgemisches, sodass die Temperatur des in den Abgaskanal ausgeschobenen Abgases im Schubbetrieb besonders niedrig ist. Dadurch wäre bei einem ungedrosselten Einströmen von Frischluft in die Brennräume eine besonders starke Abkühlung der Komponenten zur Abgasnachbehandlung zu befürchten, was durch eine starke Androsselung und einen entsprechend geringen Gasdurchsatz durch die Brennräume und den Abgaskanal reduziert wird.
  • Gemäß eine vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass zusätzlich eine im Abgaskanal stromabwärts des Katalysators zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnete Abgasklappe angestellt wird und somit der Strömungsquerschnitt des Abgaskanals stark versperrt wird. Durch das Anstellen einer Abgasklappe im Abgaskanal lässt sich ein Staudruck erzeugen, welcher einem Abkühlen des Abgases durch eine Druckerhöhung im Abgaskanal entgegenwirkt. Zudem kann durch das Anstellen der Abgasklappe ein größerer Volumenstrom an Abgas über eine Niederdruck-Abgasrückführung dem Ansaugkanal zugeführt werden, sodass die Wärme im Wesentlichen im System bleibt und nicht durch ein Endrohr des Abgaskanals an die Umgebung abgegeben wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass in dem Abgaskanal eine zweite Abgastemperatur ermittelt wird, wobei aus der Differenz der ersten Abgastemperatur und der zweiten Abgastemperatur eine Temperatur am Eintritt in den Katalysator zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ermittelt wird. Durch zwei Temperaturen im Abgaskanal lässt sich die Eingangstemperatur des Abgases beim Eintreten in den Katalysator zur selektiven, katalytischen Reduktion genauer bestimmen, da neben der absoluten Temperatur an einem Temperatursensor auch ein Wärmeverlust entlang des Abgaskanals über die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren ermittelt werden kann.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schwellentemperatur in einem Bereich von 180°C bis 220°C, vorzugsweise bei ca. 200°C liegt. Zum einen besteht das Ziel, die Verluste während einer Aufheizphase der Komponenten zur Abgasnachbehandlung gering gehalten werden. Zum anderen findet eine besonders effiziente katalytische Reduktion von Stickoxiden durch den aus der wässrigen Harnstofflösung gewonnenen Ammoniak in einem Temperaturbereich von ca. 200°C bis 300°C statt. Daher wird die Schwellentemperatur mit Vorteil so gewählt, dass das erfindungsgemäße Verfahren eingeleitet wird, um die Komponenten der Abgasnachbehandlung möglichst schnell auf eine Betriebstemperatur aufzuheizen und im Betrieb ein (weiteres) Absinken der Abgastemperatur beim Eintreten in den Katalysator zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden unter diese Schwellentemperatur zu vermeiden und somit die Effizienz der katalytischen Reduktion der Stickoxide zu erhöhen.
  • Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen, welche zumindest einen Abgaskanal und einen in dem Abgaskanal angeordneten Katalysator zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, einen Temperatursensor zur Ermittlung einer Abgastemperatur im Abgaskanal sowie ein Steuergerät mit einem maschinenlesbaren Programmcode zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist. Durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung ist die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist vorgesehen, dass in dem Abgaskanal zwei Katalysatoren zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet sind. Durch einen ersten und einen zweiten Katalysator zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, welche vorzugsweise in Reihe angeordnet sind, ist es möglich, dass zumindest einer der beiden Katalysatoren in dem Temperaturfenster zur besonders effizienten Reduktion von Stickoxiden betrieben werden kann und somit eine bestmögliche Abgasnachbehandlung der Abgase des Verbrennungsmotors erreicht wird. Alternativ kann auch zusätzlich zu einem Katalysator zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden auch ein NOx-Speicherkatalysator im Abgaskanal verbaut sein. Auch bei einer solchen Kombination von NOx-Speicherkatalysator und SCR-Katalysator hat das erfindungsgemäße Verfahren Vorteile, da die Abgastemperatur
  • Besonders bevorzugt ist dabei, wenn eine Abgasrückführungsleitung stromabwärts des ersten Katalysators zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden und stromaufwärts des zweiten Katalysators zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden von dem Abgaskanal abzweigt. Dadurch kann Wärme über die Abgasrückführungsleitung abgeführt werden, sodass der in Strömungsrichtung zweite Katalysator mit einer deutlich niedrigeren Temperatur als der erste Katalysator betrieben werden kann. Dadurch ergeben sich in Hinblick auf weitere Betriebssituationen, insbesondere auf Betriebssituationen, in denen ein oberer Schwellenwert zur effizienten selektiven, katalytischen Reduktion der Stickoxide überschritten wird, weitere Applikationsmöglichkeiten, um eine besonders wirksame Reduktion der Stickoxide-Emissionen im Abgas zu erreichen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Verbesserung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass der erste Katalysator zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden als ein Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden und der zweite Katalysator als ein SCR-Katalysator ausgebildet sind. Für viele Anwendungsfälle ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung sowohl einen Partikelfilter zur Reduktion der Rußemissionen sowie einen Katalysator zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden aufweist. Da zur Regeneration des Partikelfilters höhere Temperaturen, insbesondere Temperaturen oberhalb von 600°C notwendig sind, ist es vorteilhaft, diesen Partikelfilter motornah anzuordnen, um eine zur Regeneration des Partikelfilters notwendige Temperatur mit geringen motorischen Heizmaßnahmen zu erreichen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Partikelfilter eine Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden aufweist, da in dieser motornahen Position nach einem Kaltstart, in einem Betrieb mit niedriger Teilleist oder in einem Schubbetrieb schneller das Temperaturfenster zur effizienten Reduktion von Stickoxiden erreicht wird.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Abgaskanal stromaufwärts des ersten Katalysators zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ein erster Temperatursensor und ein zweiter Temperatursensor angeordnet sind. Durch die beiden Temperatursensoren kann zum einen Redundanz erreicht werden, sodass eine Ermittlung der Abgastemperatur auch dann noch möglich ist, wenn einer der Temperatursensoren ausfällt. Ferner kann eine Temperatur am Eintritt in einen der Katalysatoren zur selektiven, katalytischen Reduktion genauer ermittelt werden, da aus der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren Wärmeverluste entlang des Abgaskanals bestimmt werden können.
  • Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der erste Temperatursensor stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors und stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers, und der zweite Temperatursensor stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers und stromaufwärts des in Strömungsrichtung ersten Katalysators zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet ist. Dadurch kann eine erste Temperatur des Abgases möglichst motornah erfasst werden
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Abgaskanal stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors eine Turbine eines Abgasturboladers und weiter stromabwärts ein Oxidationskatalysator angeordnet sind, wobei stromabwärts des Oxidationskatalysators und stromaufwärts des Katalysators zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ein Dosiermodul zur Eindosierung eines Reduktionsmittels in den Abgaskanal angeordnet ist. Durch einen dem Katalysator zur selektiven, katalytischen Reduktion vorgeschalteten Oxidationskatalysator können unverbrannter Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid und Wasserstoff exotherm umgesetzt werden, wodurch sich das Abgas erwärmt. Auf diese Weise können zum einen diese Emissionen in unschädliche Abgaskomponenten, insbesondere in Wasserdampf und Kohlendioxid umgesetzt werden, zum anderen kann die Temperatur am Eintritt in den Katalysator zur selektiven, katalytischen Reduktion angehoben werden, wodurch es möglich ist, auch in Schwachlastphasen einen Temperaturbereich zur effizienten Reduktion der Stickoxide zu erreichen.
  • Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
  • Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen Verbrennungsmotor mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors sowie zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung; und
  • 2 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors.
  • 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10, vorzugsweise einen Dieselmotor, welcher an seinem Einlass 50 mit einer Frischluftleitung 44 und an seinem Auslass 52 mit einem Abgaskanal 12 verbunden ist. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Abgasturbolader 22 auf, dessen Turbine 24 in einem Hauptabgaspfad des Abgaskanals 12 angeordnet ist. Die Turbine 24 des Abgasturboladers 22 treibt einen Verdichter 26 in der Frischluftleitung 44 an, mit welchem die Brennräume des Verbrennungsmotors 10 mit Frischluft versorgt werden, wobei die Frischluft durch den Verdichter 26 auf einen gegenüber dem Umgebungsdruck erhöhten Druck vorverdichtet wird. In dem Hauptabgaspfad 14 ist in Strömungsrichtung des Abgases des Verbrennungsmotors 10 stromabwärts der Turbine ein Katalysator 14, insbesondere ein Oxidationskatalysator 58, angeordnet. Weiter stromabwärts ist im Abgaskanal 12 ein Partikelfilter 16 mit einer Beschichtung 18 zur selektiven, katalytischen Reduktion angeordnet, welcher Rußpartikel aus dem Abgas des Verbrennungsmotors herausfiltert und an der Oberfläche des Partikelfilters 16 anlagert. Die Beschichtung 18 zur selektiven, katalytischen Reduktion 18 dient dabei als ein erster Katalysator 18 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden. Stromabwärts des Katalysators 14 und stromaufwärts des Partikelfilters 16 sind ein Dosiermodul 28 zum Einbringen eines Reduktionsmittels, insbesondere von wässriger Harnstofflösung, in den Abgaskanal 12 sowie ein Mischer 30 zur gleichmäßigen Verteilung des Reduktionsmittels angeordnet. Stromabwärts des Auslasses 52 und stromaufwärts der Turbine 24 des Abgasturboladers 22 ist ein erster Temperatursensor 54 zur Erfassung einer ersten Abgastemperatur TA1 am Abgaskanal 12 angeordnet. Stromabwärts der Turbine 24 und stromaufwärts des Dosiermoduls 28, insbesondere an dem Oxidationskatalysator 58 ist ein zweiter Temperatursensor 56 zur Erfassung einer zweiten Abgastemperatur TA2 angeordnet. Eine Beladung des Partikelfilters 16 kann durch zwei Drucksensoren 70, 72 überwacht werden, von denen ein erster Drucksensor 70 stromaufwärts des Partikelfilters 16 und ein zweiter Drucksensor 72 stromabwärts des Partikelfilters 16 angeordnet sind und somit eine Druckdifferenz über den Partikelfilter 16 gemessen werden kann. Mit steigender Rußbeladung des Partikelfilters 16 nimmt diese Druckdifferenz zu, sodass der Differenzdruck über den Partikelfilter 16 als ein Maß für die Beladung des Partikelfilters 16 herangezogen werden kann. Stromabwärts des Partikelfilters 16 ist im Abgaskanal eine Verzweigung 34 vorgesehen, an der eine Niederdruck-Abgasrückführungsleitung 36 von dem Abgaskanal 12 abzweigt. Stromabwärts dieser Verzweigung 34 ist in dem Abgaskanal 12 ein zweiter Katalysator 20 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet, welcher vorzugsweise als konventioneller SCR-Katalysator ausgebildet ist. Weiter stromabwärts ist in dem Abgaskanal 12 eine Abgasklappe 32 angeordnet, mit welcher ein Abgasstrom durch den Abgaskanal 12 gedrosselt werden kann. Stromabwärts des Partikelfilters 16 mit der Beschichtung 18 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden und stromaufwärts des SCR-Katalysators 20 zweigt die Niederdruck-Abgasrückführungsleitung 36 von dem Abgaskanal 12 ab, welche den Abgaskanal 12 an einer Einmündung 66 mit der Ansaugleitung 44 stromabwärts eines Luftfilters 46 und stromaufwärts des Verdichters 26 verbindet. In der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung 36 ist ein Filterelement 38 angeordnet. Ferner ist in der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung 36 ein Abgasrückführungsventil 42 angeordnet, mit welchem ein Volumenstrom an zurückgeführtem Abgas durch die Niederdruck-Abgasrückführungsleitung 36 geregelt werden kann. Stromabwärts des Filterelements 38 und stromaufwärts des Abgasrückführungsventils 42 ist ein Abgasrückführungskühler (AGR-Kühler) 40 vorgesehen, mit dem die Temperatur des der Ansaugleitung 44 zugeführten Abgases reduziert werden kann. Alternativ kann der Abgasrückführungskühler 40 auch stromabwärts des Abgasrückführungsventils 42 in der Niederdruck-Abgasrückführungsleitung 36 angeordnet sein.
  • Der Verbrennungsmotor 10 weist ein Hochdruck-Abgasrückführung-Ventil 62 auf, mit welchem Abgas aus den Brennräumen oder aus dem Abgaskanal 12 stromaufwärts der Turbine 24 des Abgasturboladers 22 entnommen und der Ansaugleitung 44 stromabwärts der Drosselklappe 48 zugeführt wird.
  • Die Ansaugleitung 44 weist einen Luftfilter 46 auf, welcher ansaugseitig an einem Ende der Ansaugleitung 44 angeordnet ist. Stromabwärts des Luftfilters 46 oder in den Luftfilter 46 integriert ist ein Luftmassenmesser 64, insbesondere ein Heißfilm-Luftmassenmesser, vorgesehen, um einen Volumenstrom von angesaugter Frischluft in der Ansaugleitung 44 des Verbrennungsmotors 10 zu bestimmen. Stromabwärts des Verdichters 26 ist eine Drosselklappe 48 vorgesehen, mit der in den Brennräumen des Verbrennungsmotors Frischluftstrom gedrosselt werden kann. Stromabwärts der Drosselklappe 48 und stromaufwärts des Einlasses 50 ist ein Ladeluftkühler 60 vorgesehen, um die verdichtete Luft abzukühlen und somit die Füllung der Brennräume des Verbrennungsmotors 10 weiter zu verbessern. Die Drucksensoren 70, 72 sowie die Temperatursensoren 54, 56 sind über Signalleitungen 74 mit einem Steuergerät 68 des Verbrennungsmotors 10 verbunden, um die Notwendigkeit der Regeneration des Partikelfilters 16 sowie Abgastemperaturen TA1, TA2 zu ermitteln und aus diesen Abgastemperaturen TA1, TA2 eine Eintrittstemperatur TE beim Eintritt des Abgases in den Partikelfilter 16 als ersten Katalysator 18 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden zu bestimmen.
  • In 2 ist ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Ziel des Verfahrens ist es, die Abgastemperatur vor dem System zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-System) zu erhöhen und dessen Effizienz zu steigern. Somit kann die Temperatur zumindest eines Katalysators zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden 18, 20 oberhalb einer kritischen Schwellentemperatur gehalten werden, unterhalb derer die Effizienz der Stickoxid-Reduktion deutlich eingeschränkt ist. In einem ersten Verfahrensschritt <100> wird eine erste Abgastemperatur TA1 des Abgases des Verbrennungsmotors 10 im Abgaskanal 12 ermittelt. Zusätzlich kann in einem weiteren Verfahrensschritt <110> eine zweite Abgastemperatur TA2 an einer anderen Stelle im Abgaskanal 12 ermittelt werden. Liegt die erste Abgastemperatur TA1 unter einer Schwellentemperatur Ts, so wird in einem weiteren Verfahrensschritt <120> die Drosselklappe 48 angestellt und somit die Füllung der Brennräume des Verbrennungsmotors 10 reduziert. Bevorzugt erfolgt durch das Hochdruck-Abgasrückführungsventil 62 eine in Bezug auf den Frischluft-Massenstrom prozentual zumindest im Wesentlichen konstante Zumischung an Abgas, sodass sich die Füllung der Brennräume in gleichem Umfang reduziert, wie der Frischluft-Massenstrom durch das Anstellen der Drosselklappe 48 reduziert wird. In einem weiteren Verfahrensschritt <130> wird die Drosselklappe 48 auch in einem Schubbetrieb des Verbrennungsmotors 10 angestellt und das Hochdruck-Abgasrückführungsventil 62 geöffnet. Dadurch verringert sich der „kalte“ Abgasmassenstrom durch einen der Katalysatoren 18, 20 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden im nichtbefeuerten Betrieb des Verbrennungsmotors. Wird das Hochdruck-Abgasrückführungsventil 62 im Schubbetrieb geöffnet, so kann durch einen Unterdruck im Ansaugkanal 44 viel Abgas im Kreis geführt werden und somit ein Wärmeverlust gering gehalten werden. Zusätzlich wird in einem weiteren Verfahrensschritt <140> die Abgasklappe 32 angestellt, um den Staudruck in dem Abgaskanal 12 zu erhöhen und somit die Stauwärme zu nutzen, um ein Auskühlen der Katalysatoren 18, 20 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden zu verhindern oder zumindest zu verlangsamen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich eine Abgastemperatur TE in einem typischen Stadtzyklus beim Eintritt in den Partikelfilter 16 mit der Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden um ca. 20–40°C im Katalysator anheben, wodurch eine deutlich effizientere Umsetzung der Stickoxide durch die Katalysatoren zur selektiven, katalytischen Reduktion 18, 20 möglich ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Verbrennungsmotor
    12
    Abgaskanal
    14
    Katalysator
    16
    Partikelfilter
    18
    Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden
    20
    SCR-Katalysator
    22
    Abgasturbolader
    24
    Turbine
    26
    Verdichter
    28
    Dosiermodul
    30
    Mischer
    32
    Abgasklappe
    34
    Verzweigung
    36
    Abgasrückführleitung
    38
    Filterelement
    40
    Abgaskühler
    42
    Abgasrückführungsventil
    44
    Ansaugleitung
    46
    Luftfilter
    48
    Drosselklappe
    50
    Einlass
    52
    Auslass
    54
    erster Temperatursensor
    56
    zweiter Temperatursensor
    58
    Oxidationskatalysator
    60
    Ladeluftkühler
    62
    Hochdruck-Abgasrückführungs-Ventil
    64
    Luftmassenmesser
    66
    Einmündung
    68
    Steuergerät
    70
    erster Drucksensor
    72
    zweiter Drucksensor
    74
    Signalleitung
    TA1
    Abgastemperatur am ersten Temperatursensor
    TA2
    Abgastemperatur am zweiten Temperatursensor
    TE
    Abgastemperatur beim Eintritt in den Katalysator zur selektiven, katalytischen Reduktion
    TS
    Schwellentemperatur
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102008015600 A1 [0004]
    • DE 102013212733 A1 [0005]
    • DE 10139848 A1 [0006]

Claims (15)

  1. Verfahren zum Betrieben eines Verbrennungsmotors (10), insbesondere eines Dieselmotors, und zur Abgasnachbehandlung dieses Verbrennungsmotors (10), mit einem Abgaskanal (12), in welchem zumindest ein Katalysator (18, 20) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgaskanal (12), vorzugsweise stromaufwärts des Katalysators (18, 20) zur selektiven, katalytischen Reduktion, eine Abgastemperatur (TA1) ermittelt wird, und die Füllung der Brennräume des Verbrennungsmotors (10) reduziert wird, wenn die Abgastemperatur (TA1) unter einer Schwellentemperatur (TS) liegt.
  2. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung durch ein Anstellen einer in einer Ansaugleitung (44) des Verbrennungsmotors (10) angeordneten Drosselklappe (48) reduziert wird.
  3. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführungsrate prozentual zu der dem Verbrennungsmotor (10) zugeführten Frischluftmenge zumindest im Wesentlichen konstant gehalten wird.
  4. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselklappe (48) in einem Schubbetrieb des Verbrennungsmotors (10) angestellt wird und somit der Strömungsquerschnitt der Ansaugleitung (44) stark versperrt wird.
  5. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine im Abgaskanal (12) stromabwärts des Katalysators (18, 20) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnete Abgasklappe (32) angestellt wird.
  6. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abgaskanal (12) eine zweite Abgastemperatur (TA2) ermittelt wird, wobei aus der Differenz der ersten Abgastemperatur (TA1) und der zweiten Abgastemperatur (TA2) eine Temperatur am Eintritt in den Katalysator (18, 20) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ermittelt wird.
  7. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellentemperatur (TS) in einem Bereich von 180°C bis 220°C liegt.
  8. Steuergerät (68) mit einem maschinenlesbaren Programmcode, welches derart eingerichtet ist, bei einem Ausführen des Programmcodes ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
  9. Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) mit einem Abgaskanal (12), in welchem zumindest ein Katalysator (18, 20) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet ist, mit einem Temperatursensor (54, 56) zur Ermittlung einer Abgastemperatur im Abgaskanal (12) sowie mit einem Steuergerät (68) mit einem maschinenlesbaren Programmcode, welches derart eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
  10. Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abgaskanal (12) zwei Katalysatoren (18, 20) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet sind.
  11. Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgasrückführungsleitung (36) stromabwärts des ersten Katalysators (18) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden und stromaufwärts des zweiten Katalysators (20) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden von dem Abgaskanal (12) abzweigt.
  12. Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator (18) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden als ein Partikelfilter (16) mit eine Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden und der zweite Katalysator (20) als ein SCR-Katalysator ausgebildet sind.
  13. Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abgaskanal (12) stromaufwärts des ersten Katalysators (18) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ein erster Temperatursensor (54) und ein zweiter Temperatursensor (56) angeordnet sind.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Temperatursensor (54) stromabwärts einen Auslasses (52) des Verbrennungsmotors (10) und stromaufwärts einer Turbine (24) eines Abgasturboladers (22) und der zweite Temperatursensor (54) stromabwärts der Turbine (24) und stromaufwärts eines Einlasses des Katalysators (18, 20) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet sind.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abgaskanal (12) stromabwärts eines Auslasses (52) des Verbrennungsmotors (10) eine Turbine (24) eines Abgasturboladers (22) und weiter stromabwärts ein Oxidationskatalysator (14) angeordnet sind, wobei stromabwärts des Oxidationskatalysators (14) und stromaufwärts des Katalysators (18, 20) zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ein Dosiermodul (28) zur Eindosierung eines Reduktionsmittels in den Abgaskanal (12) angeordnet ist.
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