DE102019101706A1

DE102019101706A1 - Method for exhaust gas aftertreatment of an internal combustion engine and exhaust gas aftertreatment system

Info

Publication number: DE102019101706A1
Application number: DE102019101706.8A
Authority: DE
Inventors: Giampaolo Nigro; Lars Regner; Tim Thiele
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2019-01-24
Filing date: 2019-01-24
Publication date: 2020-07-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10), welcher mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (40) verbunden ist. Dabei sind in der Abgasanlage (40) stromabwärts einer Turbine (44) eines Abgasturboladers (36) ein motornaher Partikelfilter (48) mit einer Beschichtung (50) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden und stromabwärts des Partikelfilters (48) ein zweiter SCR-Katalysator (52) angeordnet. Stromaufwärts des Partikelfilters (48) sind ein erster NOx-Sensor (62) und stromabwärts des Partikelfilters (48) und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators (52) ein zweiter NOx-Sensor (64) angeordnet. Das Abgasnachbehandlungssytem umfasst ferner ein Dosierelement (56), mit welchem ein Reduktionsmittel (78) stromaufwärts des Partikelfilters (48) in den Abgaskanal (42) eindosiert werden kann. Dabei wird ein Reduktionsmittel (78) in den Abgaskanal (42) eindosiert und die Stickoxidkonzentration stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters (48) gemessen. Anhand der eindosierten Reduktionsmittelmenge und der Abnahme der Stickoxidkonzentration über den Partikelfilter (48) wird auf eine Konvertierungsleistung des Partikelfilters (48) geschlossen und die verbleibende Ammoniak-Konzentration stromabwärts des Partikelfilters (48) berechnet. Anhand dieser Ammoniak-Konzentration wird die Menge an eindosiertem Reduktionsmittel angepasst, wobei das im Abgaskanal (42) stromabwärts des Partikelfilters (48) befindliche Ammoniak in dem zweiten SCR-Katalysator (52) umgesetzt wird.Die Erfindung betrifft ferner ein Abgasnachbehandlungssystem zur Durchführung eines solchen Verfahrens.The invention relates to a method for exhaust gas aftertreatment of an internal combustion engine (10), the outlet (18) of which is connected to an exhaust system (40). In the exhaust system (40) downstream of a turbine (44) of an exhaust gas turbocharger (36) there is a particle filter (48) close to the engine with a coating (50) for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides and downstream of the particle filter (48) a second SCR catalytic converter ( 52) arranged. A first NOx sensor (62) is arranged upstream of the particle filter (48) and a second NOx sensor (64) is arranged downstream of the particle filter (48) and upstream of the second SCR catalytic converter (52). The exhaust gas aftertreatment system further comprises a metering element (56) with which a reducing agent (78) can be metered into the exhaust gas channel (42) upstream of the particle filter (48). A reducing agent (78) is metered into the exhaust gas channel (42) and the nitrogen oxide concentration is measured upstream and downstream of the particle filter (48). On the basis of the metered amount of reducing agent and the decrease in the nitrogen oxide concentration via the particle filter (48), it is concluded that the particle filter (48) is converting and the remaining ammonia concentration downstream of the particle filter (48) is calculated. The ammonia concentration is used to adjust the amount of reducing agent metered in, the ammonia in the exhaust gas duct (42) downstream of the particle filter (48) being converted in the second SCR catalytic converter (52). The invention further relates to an exhaust gas aftertreatment system for carrying out such a process Procedure.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors sowie ein Abgasnachbehandlungssystem zur Durchführung eines solchen Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs.The invention relates to a method for exhaust gas aftertreatment of an internal combustion engine and an exhaust gas aftertreatment system for carrying out such a method according to the preamble of the independent patent claim.

Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellen hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Dabei stellen die Forderungen nach einem weiter sinkenden Verbrauch und die weitere Verschärfung der Abgasnormen hinsichtlich der zulässigen StickoxidEmissionen eine Herausforderung für die Motorenentwickler dar. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Weise über einen Drei-Wege-Katalysator, sowie dem Drei-Wege-Katalysator vor- und nachgeschaltete weitere Katalysatoren. Bei Dieselmotoren finden aktuell Abgasnachbehandlungssysteme Verwendung, welche einen Oxidationskatalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren aufweisen. Als Reduktionsmittel wird dabei bevorzugt Ammoniak verwendet. Weil der Umgang mit reinem Ammoniak aufwendig ist, wird bei Fahrzeugen üblicherweise eine synthetische, wässrige Harnstofflösung verwendet, die in einer dem SCR-Katalysator vorgeschalteten Mischeinrichtung mit dem heißen Abgasstrom vermischt wird. Durch diese Vermischung wird die wässrige Harnstofflösung erhitzt, wobei die wässrige Harnstofflösung Ammoniak im Abgaskanal freisetzt. Eine handelsübliche, wässrige Harnstofflösung setzt sich im Allgemeinen aus 32,5 % Harnstoff und 67,5 % Wasser zusammen.The current exhaust gas legislation, which will become increasingly stringent in the future, places high demands on raw engine emissions and exhaust gas aftertreatment of internal combustion engines. The demands for a further decrease in consumption and the further tightening of the exhaust gas standards with regard to the permissible nitrogen oxide emissions represent a challenge for the engine developers. In gasoline engines, exhaust gas cleaning is carried out in a known manner using a three-way catalytic converter and the three-way catalytic converter - And downstream further catalysts. Exhaust gas aftertreatment systems are currently used in diesel engines, which have an oxidation catalytic converter or a NOx storage catalytic converter, a catalytic converter for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides (SCR catalytic converter) and a particle filter for the separation of soot particles and, if appropriate, further catalysts. Ammonia is preferably used as the reducing agent. Because the use of pure ammonia is complex, a synthetic, aqueous urea solution is usually used in vehicles, which is mixed with the hot exhaust gas stream in a mixing device upstream of the SCR catalytic converter. This mixing heats the aqueous urea solution, the aqueous urea solution releasing ammonia in the exhaust duct. A commercially available, aqueous urea solution generally consists of 32.5% urea and 67.5% water.

Aus dem Stand der Technik sind Abgasnachbehandlungssysteme bekannt, welche einen motornahen ersten SCR-Katalysator, insbesondere einen Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung und eine zweiten SCR-Katalysator aufweisen, welcher in einer motorfernen Unterbodenlage des Kraftfahrzeuges angeordnet ist. Der motornahe Partikelfilter mit der SCR-Beschichtung kann nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors schneller auf seine Betriebstemperatur aufgeheizt werden und somit zeitnah nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors für eine effiziente Konvertierung der Sickoxidemissionen genutzt werden. Der motorferne zweite SCR-Katalysator wird bei hohen Motorlasten und/oder bei einer Regeneration des Partikelfilters genutzt, bei welcher der motornahe Partikelfilter mit der SCR-Beschichtung oberhalb des zur selektiven, katalytische Reduktion notwendigen Temperaturbereichs betrieben wird und somit nur für eine unzureichende Konvertierung der Stickoxide sorgt. Die motornahe Anordnung des Partikelfilters mit der SCR-Beschichtung führt zudem dazu, dass nur eine kurze Mischstrecke zur Vermischung von Reduktionsmittel und Abgas vor Eintritt in den Partikelfilter vorhanden ist und somit die Gleichverteilung über den Querschnitt des Partikelfilters eingeschränkt ist. Dieser Effekt wird bei hohen Abgasmassenströmen und damit verbundenen hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Abgaskanal verstärkt. Dies kann dazu führen, dass unabhängig von der Temperatur die Konvertierungsleistung des Partikelfilters nicht ausreicht und zusätzlich die Konvertierungsleistung des zweiten SCR-Katalysators notwendig ist.Exhaust gas aftertreatment systems are known from the prior art which have a first SCR catalytic converter close to the engine, in particular a particle filter with an SCR coating and a second SCR catalytic converter which is arranged in an underbody layer of the motor vehicle remote from the engine. The particle filter close to the engine with the SCR coating can be heated up to its operating temperature more quickly after a cold start of the internal combustion engine and can thus be used for an efficient conversion of the peroxide emissions shortly after a cold start of the internal combustion engine. The second SCR catalytic converter, which is remote from the engine, is used for high engine loads and / or for regeneration of the particle filter, in which the particle filter close to the engine is operated with the SCR coating above the temperature range required for selective, catalytic reduction and therefore only for an insufficient conversion of the nitrogen oxides worries. The arrangement of the particle filter with the SCR coating close to the engine also means that there is only a short mixing section for mixing reducing agent and exhaust gas before it enters the particle filter and thus the uniform distribution over the cross section of the particle filter is restricted. This effect is increased at high exhaust gas mass flows and the associated high flow velocities in the exhaust gas duct. This can mean that regardless of the temperature, the conversion performance of the particle filter is insufficient and the conversion performance of the second SCR catalytic converter is also necessary.

Ferner ist bekannt, dass sich die Konvertierungsleistung der beiden SCR-Katalysatoren steigern lässt, wenn eine definierte Menge an Ammoniak auf der katalytisch wirksamen Oberfläche des jeweiligen SCR-Katalysators eingespeichert wird. In Abhängigkeit vom aktuellen Betriebszustand des Verbrennungsmotors wird stromaufwärts des beschichteten Partikelfilters, stromaufwärts des SCR-Katalysators in Unterbodenlage oder stromaufwärts beider SCR-Katalysatoren Reduktionsmittel in den Abgaskanal eindosiert.It is also known that the conversion power of the two SCR catalysts can be increased if a defined amount of ammonia is stored on the catalytically active surface of the respective SCR catalyst. Depending on the current operating state of the internal combustion engine, reducing agent is metered into the exhaust duct upstream of the coated particle filter, upstream of the SCR catalytic converter in the underbody position or upstream of both SCR catalytic converters.

Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist jedoch, dass eine Alterung und eine damit verbundene Veränderung der Konvertierungsleistung der SCR-Katalysatoren nur unzureichend durch eine Modellbildung simuliert werden können und es somit zu Ammoniak-Schlupf kommt. Dies führt zu einem erhöhten Verbrauch an Reduktionsmittel und kann zu einem Anstieg der Ammoniakemissionen führen.A disadvantage of the solutions known from the prior art, however, is that aging and a change in the conversion power of the SCR catalytic converters connected therewith can only be inadequately simulated by modeling, and ammonia slip thus occurs. This leads to an increased consumption of reducing agent and can lead to an increase in ammonia emissions.

Aus der DE 10 2010 026 317 A1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Dieselmotor bekannt, bei welchem in der Abgasanlage ein Oxidationskatalysator und stromabwärts des Oxidationskatalysators ein SCR-Katalysator angeordnet sind. Dabei ist stromaufwärts des Oxidationskatalysators ein erster NOx-Sensor und stromabwärts des SCR-Katalysators ein zweiter NOx-Sensor vorgesehen, um die Effizienz des SCR-Katalysators beurteilen zu können und somit einen Ammoniakschlupf zu vermeiden.From the DE 10 2010 026 317 A1 An exhaust gas aftertreatment system for a diesel engine is known, in which an oxidation catalytic converter is arranged in the exhaust gas system and an SCR catalytic converter is arranged downstream of the oxidation catalytic converter. A first NOx sensor is provided upstream of the oxidation catalytic converter and a second NOx sensor is provided downstream of the SCR catalytic converter in order to be able to assess the efficiency of the SCR catalytic converter and thus to avoid ammonia slip.

Aus der DE 10 2010 026 373 A1 sind ein Abgasnachbehandlungssystem und ein Verfahren zur Ermittlung des Ammoniakschlupfs bekannt, bei welchem stromaufwärts des SCR-Katalysators und stromabwärts des SCR-Katalysators die Stickoxidkonzentration im Abgaskanal ermittelt wird und die Menge an Reduktionsmittel derart angepasst wird, dass die Stickoxidemissionen minimiert werden.From the DE 10 2010 026 373 A1 An exhaust gas aftertreatment system and a method for determining the ammonia slip are known, in which upstream of the SCR catalytic converter and downstream of the SCR catalytic converter, the nitrogen oxide concentration in the exhaust gas duct is determined and the amount of reducing agent is adjusted in such a way that the nitrogen oxide emissions are minimized.

Darüber hinaus offenbart die DE 10 2014 019 483 A1 ein weiteres Verfahren zur Ermittlung des Ammoniakschlupfs in einem Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors mit einem SCR-Katalysator. Dabei wird stromaufwärts und stromabwärts eines Partikelfilters mit einer SCR-Beschichtung die Stickoxidkonzentration im Abgaskanal ermittelt und anhand der Stickoxidkonzentration in Verbindung mit der eindosierten Menge an Reduktionsmittel der Ammoniakschlupf berechnet. In addition, the DE 10 2014 019 483 A1 a further method for determining the ammonia slip in an exhaust gas aftertreatment system of an internal combustion engine with an SCR catalytic converter. The nitrogen oxide concentration in the exhaust gas duct is determined upstream and downstream of a particle filter with an SCR coating and the ammonia slip is calculated on the basis of the nitrogen oxide concentration in conjunction with the metered amount of reducing agent.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem Abgasnachbehandlungssystem mit mehreren SCR-Katalysatoren die Stickoxidemissionen möglichst effizient in elementaren Stickstoff zu konvertieren und gleichzeitig den Einsatz an Reduktionsmittel zu minimieren, um Ammoniakemissionen zu vermeiden.The invention is based on the object of converting the nitrogen oxide emissions into elemental nitrogen as efficiently as possible in an exhaust gas aftertreatment system with a plurality of SCR catalysts and at the same time minimizing the use of reducing agents in order to avoid ammonia emissions.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, welcher mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist, gelöst, wobei in der Abgasanlage stromabwärts einer Turbine eines Abgasturboladers ein motornaher Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden und stromabwärts des Partikelfilters ein zweiter SCR-Katalysator angeordnet sind. Stromaufwärts des Partikelfilters ist ein erster NOx-Sensor und stromabwärts des Partikelfilters und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators ein zweiter NOx-Sensor angeordnet. Ferner umfasst die Abgasanlage ein Dosierelement, mit welchem ein Reduktionsmittel stromaufwärts des Partikelfilters in den Abgaskanal eindosierbar ist. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

- Eindosieren des Reduktionsmittels in den Abgaskanal des Verbrennungsmotors, wobei stromabwärts des Partikelfilter eine erste NOx-Konzentration im Abgaskanal gemessen wird,
- Messen einer zweiten NOx-Konzentration stromabwärts des Partikelfilters und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators, wobei
- eine Ammoniak-Konzentration stromabwärts des Partikelfilters und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators mittels der gemessenen Stickoxidkonzentrationen berechnet wird, wobei
- die Eindosierung des Reduktionsmittels auf Basis der berechneten Ammoniak-Konzentration angepasst wird, und wobei
- das im Abgaskanal stromabwärts des Partikelfilters befindliche Ammoniak (NH3) im zweiten SCR-Katalysator eingelagert oder zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden genutzt wird.

According to the invention, this object is achieved by a method for exhaust gas aftertreatment of an internal combustion engine, the outlet of which is connected to an exhaust gas system, a particle filter close to the engine with a coating for selective catalytic reduction of nitrogen oxides and downstream of the particle filter in the exhaust gas system downstream of a turbine of an exhaust gas turbocharger second SCR catalytic converter are arranged. A first NOx sensor is arranged upstream of the particle filter and a second NOx sensor is arranged downstream of the particle filter and upstream of the second SCR catalytic converter. Furthermore, the exhaust gas system comprises a metering element with which a reducing agent can be metered into the exhaust gas channel upstream of the particle filter. The process includes the following steps:

Dosing of the reducing agent into the exhaust gas duct of the internal combustion engine, a first NOx concentration being measured in the exhaust gas duct downstream of the particle filter,
- Measuring a second concentration of NOx downstream of the particle filter and upstream of the second SCR catalyst, wherein
- An ammonia concentration downstream of the particle filter and upstream of the second SCR catalyst is calculated using the measured nitrogen oxide concentrations, where
- The dosage of the reducing agent is adjusted based on the calculated ammonia concentration, and wherein
- The ammonia (NH3) located in the exhaust gas duct downstream of the particle filter is stored in the second SCR catalytic converter or used for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides.

Unter einem motornahen Partikelfilter ist in diesem Zusammenhang ein Partikelfilter zu verstehen, dessen Einlass mit einer Abgaslauflänge von maximal 80 cm, vorzugsweise maximal 50 cm, von dem Auslass des Verbrennungsmotors beabstandet ist. Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren ist es möglich, den Verbrauch an Reduktionsmittel dadurch zu verringern, dass der Partikelfilter nicht an seiner Speichergrenze für Ammoniak betrieben werden muss und weniger Ammoniak-Schlupf auftritt. Zudem wird weniger Ammoniak über die Niederdruck-Abgasrückführung in die Brennräume des Verbrennungsmotors zurückgeführt, was die Rohemissionen, insbesondere die Stickoxidemissionen, minimiert.In this context, a particle filter close to the engine is to be understood as a particle filter whose inlet is spaced from the outlet of the internal combustion engine with an exhaust gas run length of at most 80 cm, preferably at most 50 cm. By means of a method according to the invention, it is possible to reduce the consumption of reducing agent in that the particle filter does not have to be operated at its storage limit for ammonia and less ammonia slip occurs. In addition, less ammonia is returned to the combustion chambers of the internal combustion engine via the low-pressure exhaust gas recirculation, which minimizes the raw emissions, in particular the nitrogen oxide emissions.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und nicht triviale Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch aufgeführten Verfahrens zur Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors möglich.The features listed in the dependent claims allow advantageous improvements and non-trivial further developments of the method for exhaust gas aftertreatment of the internal combustion engine listed in the independent claim.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Wirkungsgradmodell für die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden des Partikelfilters ermittelt wird. Durch ein Wirkungsgradmodell kann der Ammoniak-Schlupf und somit die Ammoniakkonzentration stromabwärts des Partikelfilters bestimmt werden. Somit kann die Menge an eindosiertem Reduktionsmittel angepasst werden, um den Ammoniak-Schlupf möglichst gering zu halten.In a preferred embodiment of the invention, it is provided that an efficiency model for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides of the particle filter is determined. The ammonia slip and thus the ammonia concentration downstream of the particle filter can be determined using an efficiency model. The amount of reducing agent metered in can thus be adjusted in order to keep the ammonia slip as low as possible.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Differenz der Sickoxid-Konzentration stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters ermittelt wird und aus der Differenz die durch den Partikelfilter konvertierte Masse an Stickoxiden berechnet wird. Durch eine Messung der Stickoxidkonzentration stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters kann auf vergleichsweise einfache Art und Weise auf die Konvertierungsleistung des Partikelfilters bezüglich der Stickoxidemissionen geschlossen werden. Somit kann die Menge an Reduktionsmittel angepasst werden, um eine möglichst effiziente Konvertierung der Stickoxidemissionen zu erreichen.In a preferred embodiment of the method, it is provided that a difference in the concentration of nitrogen oxide upstream and downstream of the particle filter is determined and the mass of nitrogen oxides converted by the particle filter is calculated from the difference. By measuring the nitrogen oxide concentration upstream and downstream of the particle filter, the conversion performance of the particle filter with regard to the nitrogen oxide emissions can be deduced in a comparatively simple manner. The amount of reducing agent can thus be adjusted in order to achieve the most efficient conversion of the nitrogen oxide emissions.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Ammoniakkonzentration nach der folgenden Formel ermittelt wird: $N H 3_{m o d} = N O x_2 - (N O x_{1} * (1 - W i r k u n g s g r a d m o d e l l S D P F))$

Durch ein Wirkungsgradmodell können weitere Einflussfaktoren, insbesondere eine Alterung der SCR-Beschichtung des Partikelfilters abgebildet werden, wodurch die Genauigkeit des Modells zur Berechnung des Ammoniak-Schlupfs weiter verbessert wird.In a preferred embodiment of the method, it is provided that the ammonia concentration is determined using the following formula:

N H {3rd}_{m O d} = N O x_2nd - (N O x_{1} * (1 - W i r k u n G s G r a d m O d e l l S D P F))

An efficiency model can be used to map other influencing factors, in particular aging of the SCR coating of the particle filter, which further improves the accuracy of the model for calculating the ammonia slip.

In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass über das Wirkungsgradmodell ein Alterungsfaktor für den Partikelfilter ermittelt wird. Die Modellierung des Ammoniak-Schlupfes bringt aufgrund unterschiedlicher Alterungsstufen der Abgasnachbehandlungskomponenten große Unwägbarkeiten mit sich. Die Modellierung einer Alterung der SCR-Beschichtung ist jedoch notwendig, um die Speicherfähigkeit der SCR-Beschichtung bezüglich des Ammoniaks zu ermitteln. Durch eine Kombination der Messung der Stickoxidkonzentrationen stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters und dem Wirkungsgrad der NOx-Konvertierung des Partikelfilters können die durch den Partikelfilter umgesetzte Masse an Stickoxiden sowie der Ammoniak-Schlupf bestimmt werden. Dabei kann die Beladung der SCR-Beschichtung des Partikelfilters mit Ammoniak in Abhängigkeit des Alterungszustandes dieser Beschichtung angepasst werden, um den Ammoniak-Schlupf zu minimieren und somit den Reduktionsmitteleinsatz zu optimieren.A further improvement of the method provides that an aging factor for the particle filter is determined via the efficiency model. The modeling of the ammonia slip causes great uncertainties due to the different aging levels of the exhaust gas aftertreatment components. However, modeling the aging of the SCR coating is necessary in order to determine the storage capacity of the SCR coating with respect to the ammonia. By combining the measurement of the nitrogen oxide concentrations upstream and downstream of the particle filter and the efficiency of the NOx conversion of the particle filter, the mass of nitrogen oxides converted by the particle filter and the ammonia slip can be determined. The loading of the SCR coating of the particle filter with ammonia can be adjusted depending on the aging condition of this coating in order to minimize the ammonia slip and thus optimize the use of reducing agents.

Erfindungsgemäß wird ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, welcher mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist, vorgeschlagen, wobei in der Abgasanlage stromabwärts einer Turbine eines Abgasturboladers ein motornaher Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden und stromabwärts des Partikelfilters ein zweiter SCR-Katalysator angeordnet sind. Dabei ist stromaufwärts des Partikelfilters ein erster NOx-Sensor und stromabwärts des Partikelfilters und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators ein zweiter NOx-Sensor angeordnet. Ferner umfasst das Abgasnachbehandlungssystem ein Dosierelement, mit welchem ein Reduktionsmittel stromaufwärts des Partikelfilters in den Abgaskanal eindosierbar ist. Dem Verbrennungsmotor ist ein Motorsteuergerät zugeordnet, welches dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Motorsteuergerät ausgeführt wird. Durch ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem ist es möglich, die Stickoxidemissionen des Verbrennungsmotors zu minimieren und den Reduktionsmitteleinsatz zu optimieren.According to the invention, an exhaust gas aftertreatment system for an internal combustion engine, which is connected with its outlet to an exhaust gas system, is proposed, wherein in the exhaust gas system downstream of a turbine of an exhaust gas turbocharger, a particle filter close to the engine with a coating for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides and a second SCR catalyst downstream of the particle filter are arranged. A first NOx sensor is arranged upstream of the particle filter and a second NOx sensor is arranged downstream of the particle filter and upstream of the second SCR catalytic converter. Furthermore, the exhaust gas aftertreatment system comprises a metering element with which a reducing agent can be metered into the exhaust gas duct upstream of the particle filter. An engine control unit is assigned to the internal combustion engine, which is set up to carry out a method according to the invention when a machine-readable program code is executed by the engine control unit. An exhaust gas aftertreatment system according to the invention makes it possible to minimize the nitrogen oxide emissions of the internal combustion engine and to optimize the use of reducing agents.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass der zweite SCR-Katalysator einen Ammoniak-Sperrkatalysator aufweist oder dem zweiten SCR-Katalysator ein Ammoniak-Sperrkatalysator nachgeschaltet ist. Durch einen Ammoniak-Sperrkatalysator kann vermieden werden, dass die Eindosierung von Reduktionsmittel zu einer Erhöhung der Ammoniak-Endrohremissionen führt. Somit kann betriebssicher erreicht werden, dass selbst bei Ammoniak-Schlupf über den Partikelfilter das im Abgaskanal stromabwärts des Partikelfilters vorhandener Ammoniak umgesetzt wird.In a preferred embodiment of the exhaust gas aftertreatment system it is provided that the second SCR catalytic converter has an ammonia blocking catalytic converter or an ammonia blocking catalytic converter is connected downstream of the second SCR catalytic converter. An ammonia blocking catalytic converter can prevent the metering in of reducing agent from increasing the ammonia tailpipe emissions. It is thus possible to ensure that the ammonia present in the exhaust gas duct downstream of the particle filter is converted even in the event of ammonia slip via the particle filter.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers und stromaufwärts des Dosierelements ein Oxidationskatalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator angeordnet ist. Durch einen Oxidationskatalysator kann das Verhältnis von Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid verändert werden, wodurch die Effizienz der selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden gesteigert werden kann.In a preferred embodiment of the exhaust gas aftertreatment system it is provided that an oxidation catalytic converter or a NOx storage catalytic converter is arranged downstream of the turbine of the exhaust gas turbocharger and upstream of the metering element. The ratio of nitrogen monoxide and nitrogen dioxide can be changed by means of an oxidation catalytic converter, whereby the efficiency of the selective catalytic reduction of nitrogen oxides can be increased.

In einer weiteren Verbesserung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass stromabwärts des Partikelfilters und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators eine Niederdruck-Abgasrückführung aus dem Abgaskanal abzweigt. Durch den Partikelfilter können Rußpartikel und sonstige Feststoffpartikel aus dem Abgasstrom herausgefiltert werden, sodass diese nicht über die Niederdruck-Abgasrückführung in das Luftversorgungssystem zurückgeführt werden und dort zu Beschädigungen, insbesondere zu Beschädigungen an dem Verdichter des Abgasturboladers führen können. Zudem können durch eine Abgasrückführung über die Niederdruck-Abgasrückführung in bekannter Weise die Rohemissionen des Verbrennungsmotors minimiert werden, wodurch der Reduktionsmitteleinsatz in der Abgasnachbehandlung ebenfalls reduziert werden kann.In a further improvement of the exhaust gas aftertreatment system, it is provided that a low-pressure exhaust gas recirculation branches off from the exhaust gas duct downstream of the particle filter and upstream of the second SCR catalytic converter. The particle filter allows soot particles and other solid particles to be filtered out of the exhaust gas flow, so that they are not returned to the air supply system via the low-pressure exhaust gas recirculation and can lead to damage there, in particular damage to the compressor of the exhaust gas turbocharger. In addition, the raw emissions of the internal combustion engine can be minimized in a known manner by exhaust gas recirculation via the low-pressure exhaust gas recirculation, as a result of which the use of reducing agents in exhaust gas aftertreatment can also be reduced.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass stromabwärts des Partikelfilters und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators ein zweites Dosierelement angeordnet ist. Durch ein zweites Dosierelement kann der Betriebsbereich des Abgasnachbehandlungssystems erweitert werden. Somit ist es insbesondere bei hohen Abgastemperaturen am Partikelfilter, beispielsweise bei einer Hochlastphase des Verbrennungsmotors oder bei einer Regeneration des Partikelfilters, möglich, eine effiziente Konvertierung der Stickoxide durch den zweiten SCR-Katalysator zu ermöglichen und eine thermische Zersetzung des aus dem Reduktionsmittel gewonnenen Ammoniaks zu vermeiden.According to a preferred embodiment variant of the exhaust gas aftertreatment system, it is provided that a second metering element is arranged downstream of the particle filter and upstream of the second SCR catalytic converter. The operating range of the exhaust gas aftertreatment system can be expanded by a second metering element. It is therefore possible, particularly at high exhaust gas temperatures at the particle filter, for example during a high-load phase of the internal combustion engine or during regeneration of the particle filter, to enable efficient conversion of the nitrogen oxides by the second SCR catalytic converter and to avoid thermal decomposition of the ammonia obtained from the reducing agent .

Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das erste Dosierelement und das zweite Dosierelement aus einem gemeinsamen Reduktionsmittelbehälter mit Reduktionsmittel versorgt werden. Durch einen gemeinsamen Reduktionsmittelbehälter ist eine besonders einfache und kostengünstige Versorgung der beiden Dosierelemente mit dem Reduktionsmittel möglich. It is particularly preferred if the first metering element and the second metering element are supplied with reducing agent from a common reducing agent container. A common reducing agent container enables a particularly simple and inexpensive supply of the two dosing elements with the reducing agent.

In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass stromabwärts des ersten Dosierelements und stromaufwärts des Partikelfilters mit der Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ein Abgasmischer in dem Abgaskanal angeordnet ist. Durch einen Abgasmischer kann eine homogene Verteilung des Reduktionsmittels im Abgasstrom vor Eintritt in den Partikelfilter erreicht werden. Dabei kann durch den Abgasmischer die Länge der Mischstrecke verkürzt werden, um eine solche homogene Verteilung zu erreichen. Dadurch kann der Partikelfilter näher am Auslass des Verbrennungsmotors angeordnet werden, wodurch ein Aufheizen des Partikelfilters nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors oder zur Regeneration des Partikelfilters begünstigt wird.In a further improvement of the invention it is provided that an exhaust gas mixer is arranged in the exhaust gas duct downstream of the first metering element and upstream of the particle filter with the coating for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides. An exhaust gas mixer can achieve a homogeneous distribution of the reducing agent in the exhaust gas stream before it enters the particulate filter. The length of the mixing section can be shortened by the exhaust gas mixer in order to achieve such a homogeneous distribution. As a result, the particle filter can be arranged closer to the outlet of the internal combustion engine, which promotes heating of the particle filter after a cold start of the internal combustion engine or for regeneration of the particle filter.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.Unless otherwise stated in the individual case, the various embodiments of the invention mentioned in this application can advantageously be combined with one another.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Es zeigen:

1 einen Verbrennungsmotor mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem;
2 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors; und
3 ein Diagramm mit einem Fahrprofil eines Kraftfahrzeuges und der gemessene sowie mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens berechnete Ammoniakschlupf stromabwärts des Partikelfilters mit der SCR-Beschichtung.

The invention is explained below in exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. The same components or components with the same function are identified in the different figures with the same reference numbers. Show it:

1 an internal combustion engine with an exhaust gas aftertreatment system according to the invention;
2nd a flowchart for performing an inventive method for exhaust gas aftertreatment of an internal combustion engine; and
3rd a diagram with a driving profile of a motor vehicle and the measured and calculated by means of the inventive method ammonia slip downstream of the particle filter with the SCR coating.

1 zeigt die schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 10 mit einem Luftversorgungssystem 20 und einer Abgasanlage 40. Der Verbrennungsmotor 10 ist als ein direkteinspritzender Dieselmotor ausgeführt und weist mehrere Brennräume 12 auf. An den Brennräumen 12 ist jeweils ein Kraftstoffinjektor 14 zur Einspritzung eines Kraftstoffes in den jeweiligen Brennraum 12 angeordnet. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Einlass 16 mit einem Luftversorgungssystem 20 und mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 40 verbunden. Der Verbrennungsmotor 10 umfasst ferner eine Hochdruck-Abgasrückführung mit einem Hochdruck-Abgasrückführungsventil, über welches ein Abgas des Verbrennungsmotors 10 von dem Auslass 18 zum Einlass 16 zurückgeführt werden kann. An den Brennräumen 12 sind Einlassventile und Auslassventile angeordnet, mit welchen eine fluidische Verbindung vom Luftversorgungssystem 20 zu den Brennräumen 12 oder von den Brennräumen 12 zur Abgasanlage 40 geöffnet oder verschlossen werden kann. 1 shows the schematic representation of an internal combustion engine 10th with an air supply system 20 and an exhaust system 40 . The internal combustion engine 10th is designed as a direct-injection diesel engine and has several combustion chambers 12th on. At the combustion chambers 12th is a fuel injector 14 for injecting a fuel into the respective combustion chamber 12th arranged. The internal combustion engine 10th is with his entrance 16 with an air supply system 20 and with its outlet 18th with an exhaust system 40 connected. The internal combustion engine 10th further comprises a high-pressure exhaust gas recirculation with a high-pressure exhaust gas recirculation valve, via which an exhaust gas of the internal combustion engine 10th from the outlet 18th to the entrance 16 can be traced back. At the combustion chambers 12th Inlet valves and outlet valves are arranged, with which a fluid connection from the air supply system 20 to the combustion chambers 12th or from the combustion chambers 12th to the exhaust system 40 can be opened or closed.

Das Luftversorgungssystem 20 umfasst einen Ansaugkanal 28, in welchem in Strömungsrichtung von Frischluft durch den Ansaugkanal 28 ein Luftfilter 22, stromabwärts des Luftfilters 22 ein Luftmassenmesser 24, insbesondere ein Heißfilmluftmassenmesser, stromabwärts des Luftmassenmessers 24 ein Verdichter 26 eines Abgasturboladers 36, stromabwärts des Verdichters 26 eine Drosselklappe 30 und weiter stromabwärts ein Ladeluftkühler 32 angeordnet sind. Dabei kann der Luftmassenmesser 24 auch in einem Filtergehäuse des Luftfilters 22 angeordnet sein, sodass der Luftfilter 22 und der Luftmassenmesser 24 eine Baugruppe ausbildet. Stromabwärts des Luftfilters 22 und stromaufwärts des Verdichters 26 ist eine Einmündung 34 vorgesehen, an welcher eine Abgasrückführungsleitung 86 einer Niederdruck-Abgasrückführung 80 in den Ansaugkanal 28 mündet.The air supply system 20 includes an intake duct 28 , in which in the direction of flow of fresh air through the intake duct 28 an air filter 22 , downstream of the air filter 22 an air mass meter 24th , in particular a hot film air mass meter, downstream of the air mass meter 24th a compressor 26 of an exhaust gas turbocharger 36 , downstream of the compressor 26 a throttle valve 30th and further downstream an intercooler 32 are arranged. The air mass meter 24th also in a filter housing of the air filter 22 be arranged so that the air filter 22 and the air mass meter 24th forms an assembly. Downstream of the air filter 22 and upstream of the compressor 26 is a confluence 34 provided on which an exhaust gas recirculation line 86 a low pressure exhaust gas recirculation 80 into the intake duct 28 flows out.

Die Abgasanlage 40 umfasst einen Abgaskanal 42, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den ersten Abgaskanal 42 eine Turbine 44 des Abgasturboladers 36 angeordnet ist, welche den Verdichter 26 im Luftversorgungssystem 20 über eine Welle antreibt. Der Abgasturbolader 36 ist vorzugsweise als Abgasturbolader 36 mit variabler Turbinengeometrie ausgeführt. Dazu sind einem Turbinenrad der Turbine 44 verstellbare Leitschaufeln vorgeschaltet, über welche die Anströmung des Abgases auf die Schaufeln der Turbine 44 variiert werden kann. Stromabwärts der Turbine 44 sind mehrere Abgasnachbehandlungskomponenten 46, 48, 50, 52, 54 vorgesehen. Dabei ist unmittelbar stromabwärts der Turbine 44 als erste Komponente der Abgasnachbehandlung ein Oxidationskatalysator 46 oder ein NOx-Speicherkatalysator angeordnet. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 46 oder des NOx-Speicherkatalysators ist ein Partikelfilter 48 mit einer Beschichtung 50 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Beschichtung) angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 48 ist vorzugsweise in Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges ein zweiter SCR-Katalysator 52 im Abgaskanal 42 angeordnet. Der zweite SCR-Katalysator 52 weist einen Ammoniak-Sperrkatalysator 54 auf. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 46 und stromaufwärts des Partikelfilters 48 mit der SCR-Beschichtung 50 ist ein erstes Dosierelement 56 zur Eindosierung eines Reduktionsmittels 78 in den Abgaskanal 42 vorgesehen. Stromabwärts des Partikelfilters 48 zweigt eine Abgasrückführungsleitung 86 einer Niederdruck-Abgasrückführung 80 an einer Verzweigung 72 aus dem Abgaskanal 42 ab. Stromabwärts der Verzweigung 72 und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 52 ist ein zweites Dosierelement 58 angeordnet, um das Reduktionsmittel 78 in den Abgaskanal 42 einzudosieren. Das erste Dosierelement 56 und das zweite Dosierelement 58 sind jeweils über eine Reduktionsmittelleitung 74 mit einem gemeinsamen Reduktionsmittelbehälter 76 verbunden, in welchem das Reduktionsmittel 78 bevorratet ist. Ferner umfasst die Abgasanlage 40 eine Abgasklappe 60, mit welcher die Abgasrückführung über die Niederdruck-Abgasrückführung 80 gesteuert werden kann.The exhaust system 40 includes an exhaust duct 42 , in which in the flow direction of an exhaust gas of the internal combustion engine 10th through the first exhaust duct 42 a turbine 44 of the exhaust gas turbocharger 36 arranged which is the compressor 26 in the air supply system 20 drives over a shaft. The exhaust gas turbocharger 36 is preferably used as an exhaust gas turbocharger 36 designed with variable turbine geometry. For this are a turbine wheel of the turbine 44 adjustable guide blades connected upstream, through which the flow of the exhaust gas onto the blades of the turbine 44 can be varied. Downstream of the turbine 44 are several exhaust aftertreatment components 46 , 48 , 50 , 52 , 54 intended. It is immediately downstream of the turbine 44 an oxidation catalytic converter as the first component of exhaust gas aftertreatment 46 or a NOx storage catalytic converter is arranged. Downstream of the oxidation catalyst 46 or the NOx storage catalytic converter is a particulate filter 48 with a coating 50 arranged for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides (SCR coating). Downstream of the particle filter 48 is preferably in the sub-floor position a second SCR catalytic converter of a motor vehicle 52 in the exhaust duct 42 arranged. The second SCR catalytic converter 52 has an ammonia barrier catalyst 54 on. Downstream of the oxidation catalyst 46 and upstream of the particulate filter 48 with the SCR coating 50 is a first dosing element 56 for dosing a reducing agent 78 in the exhaust duct 42 intended. Downstream of the particle filter 48 branches an exhaust gas recirculation line 86 a low pressure exhaust gas recirculation 80 on a branch 72 from the exhaust duct 42 from. Downstream of the branch 72 and upstream of the second SCR catalyst 52 is a second dosing element 58 arranged to the reducing agent 78 in the exhaust duct 42 meter in. The first dosing element 56 and the second dosing element 58 are each via a reducing agent line 74 with a common reducing agent container 76 connected in which the reducing agent 78 is in stock. The exhaust system also includes 40 an exhaust flap 60 , with which the exhaust gas recirculation via the low pressure exhaust gas recirculation 80 can be controlled.

Die Abgasrückführung 80 umfasst neben der Abgasrückführungsleitung 86 einen Abgasrückführungskühler 82 und ein Abgasrückführungsventil 84, über welches die Abgasrückführung durch die Abgasrückführungsleitung 86 steuerbar ist. An der Abgasrückführungsleitung 86 der Abgasrückführung 80 ist ein Temperatursensor 88 vorgesehen, über welchen eine Abgastemperatur in der Abgasrückführung 80 ermittelt werden kann, um die Abgasrückführung 80 zu aktivieren, sobald die Abgastemperatur in der Abgasrückführung 80 einen definierten Schwellenwert überschritten hat. Somit kann verhindert werden, dass Wasserdampf oder im Abgas enthaltenes Reduktionsmittel zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, insbesondere flüssige Harnstofflösung, auskondensiert und in der Abgasrückführung 80 oder im Luftversorgungssystem 20 zu Beschädigungen oder Ablagerungen führt. Stromabwärts der Verzweigung und stromaufwärts des Abgasrückführungskühlers 82 kann ein Filter vorgesehen werden, um den Eintrag von Partikeln in die Abgasrückführung 80 zu minimieren. Der Abgasrückführungskanal 86 mündet an einer Einmündung 34 in die Ansaugleitung 28 des Luftversorgungssystems 20.The exhaust gas recirculation 80 includes in addition to the exhaust gas recirculation line 86 an exhaust gas recirculation cooler 82 and an exhaust gas recirculation valve 84 , via which the exhaust gas recirculation through the exhaust gas recirculation line 86 is controllable. On the exhaust gas recirculation line 86 exhaust gas recirculation 80 is a temperature sensor 88 provided, above which an exhaust gas temperature in the exhaust gas recirculation 80 can be determined to the exhaust gas recirculation 80 to activate as soon as the exhaust gas temperature in the exhaust gas recirculation 80 has exceeded a defined threshold. It can thus be prevented that water vapor or reducing agent contained in the exhaust gas for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides, in particular liquid urea solution, condenses out and in the exhaust gas recirculation 80 or in the air supply system 20 leads to damage or deposits. Downstream of the branch and upstream of the exhaust gas recirculation cooler 82 a filter can be provided to prevent particles from entering the exhaust gas recirculation system 80 to minimize. The exhaust gas recirculation duct 86 ends at a junction 34 into the intake pipe 28 of the air supply system 20 .

In der Abgasanlage 40 ist stromabwärts des Oxidationskatalysators 46 und stromaufwärts des ersten Dosierelements 56 ein erster NOx-Sensor 62 angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 48 und stromaufwärts der Verzweigung 72 ist ein zweiter NOx-Sensor 64 angeordnet. Ferner weist der Partikelfilter 48 einen Differenzdrucksensor 66 auf, mit welchem eine Druckdifferenz Δp über den Partikelfilter 48 ermittelt wird. Auf diese Weise kann der Beladungszustand des Partikelfilters 52 ermittelt und bei Überschreiten eines definierten Beladungsniveaus eine Regeneration des Partikelfilters 52 eingeleitet werden. Ferner ist in der Abgasanlage 40 ein Temperatursensor 38 vorgesehen, um die Abgastemperatur zu ermitteln.In the exhaust system 40 is downstream of the oxidation catalyst 46 and upstream of the first metering element 56 a first NOx sensor 62 is arranged. Downstream of the particle filter 48 and upstream of the branch 72 a second NOx sensor 64 is arranged. Furthermore, the particle filter 48 a differential pressure sensor 66 with which a pressure difference Δp across the particle filter 48 is determined. In this way, the loading condition of the particle filter 52 determined and if a defined loading level is exceeded, a regeneration of the particle filter 52 be initiated. Also in the exhaust system 40 a temperature sensor 38 provided to determine the exhaust gas temperature.

Stromabwärts des ersten Dosierelements 56 und stromaufwärts des Partikelfilters 48 kann ein erster Abgasmischer 68 vorgesehen sein, um eine Durchmischung von Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 und Reduktionsmittel 78 vor Eintritt in den Partikelfilter 48 mit der SCR-Beschichtung 50 zu verbessern und die Länge der Mischstrecke zu verkürzen. Stromabwärts des zweiten Dosierelements 58 und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 52 kann ein zweiter Abgasmischer 70 angeordnet sein, um die Vermischung von Abgasstrom und Reduktionsmittel 78 zu verbessern und das Verdampfen des Reduktionsmittels 78 im Abgaskanal 42 zu unterstützen.Downstream of the first metering element 56 and upstream of the particulate filter 48 can be a first exhaust mixer 68 be provided to mix the exhaust gas flow of the internal combustion engine 10th and reducing agents 78 before entering the particle filter 48 with the SCR coating 50 to improve and shorten the length of the mixing section. Downstream of the second metering element 58 and upstream of the second SCR catalyst 52 can a second exhaust mixer 70 be arranged to mix the exhaust gas flow and reducing agent 78 improve and evaporate the reducing agent 78 in the exhaust duct 42 to support.

Der Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Motorsteuergerät 90 verbunden, welches über nicht dargestellte Signalleitungen mit den NOx-Sensoren 62, 64, dem Differenzdrucksensor 66, den Temperatursensoren 38, 88 sowie mit den Kraftstoffinjektoren 14 des Verbrennungsmotors 10 und den Dosierelementen 56, 58 verbunden ist.The internal combustion engine 10th is with an engine control unit 90 connected, which via signal lines, not shown, to the NOx sensors 62, 64, the differential pressure sensor 66 , the temperature sensors 38 , 88 as well as with the fuel injectors 14 of the internal combustion engine 10th and the dosing elements 56 , 58 connected is.

In 2 ist ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors 10 dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt <100> wird das Reduktionsmittel 78 in den Abgaskanal 42 des Verbrennungsmotors 10 eindosiert, wobei aus dem flüssigen Reduktionsmittel 78 mittels Thermolyse Ammoniak gewonnen wird. In einem zweiten Verfahrensschritt <110> wird eine erste Stickoxidkonzentration NOx_1 stromabwärts des Oxidationskatalysators 46 sowie stromaufwärts des ersten Dosierelements 56 und eine zweite Stickoxidkonzentration NOx_2 stromabwärts des Partikelfilters 48 und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 52 gemessen. In einem Verfahrensschritt <120> wird die Ammoniak-Konzentration NH3_mod stromabwärts des Partikelfilters 48 und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 52 aus den gemessenen NOx-Konzentrationen NOx_1, NOx_2 berechnet.
In einem Verfahrensschritt <130> wird die Eindosierung des Reduktionsmittels 78 auf Basis der berechneten Ammoniak-Konzentration NH3_mod angepasst, um den Ammoniak-Schlupf zu minimieren und somit den Reduktionsmittelverbrauch zu optimieren. In einem Verfahrensschritt <140> wird der im Abgaskanal 42 stromabwärts des Partikelfilters 48 befindliche Ammoniak in den zweiten SCR-Katalysator 52 eingelagert oder unmittelbar zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden genutzt.In 2nd is a flowchart for performing a method for exhaust gas aftertreatment of an internal combustion engine according to the invention 10th shown. In a first process step, the reducing agent is <100> 78 in the exhaust duct 42 of the internal combustion engine 10th metered in, from the liquid reducing agent 78 ammonia is obtained by means of thermolysis. In a second process step <110>, a first nitrogen oxide concentration NOx_1 becomes downstream of the oxidation catalytic converter 46 and upstream of the first metering element 56 and a second nitrogen oxide concentration NOx_2 downstream of the particulate filter 48 and upstream of the second SCR catalyst 52 measured. In a process step <120>, the ammonia concentration NH3_mod becomes downstream of the particle filter 48 and upstream of the second SCR catalyst 52 calculated from the measured NOx concentrations NOx_1, NOx_2.
In a process step <130>, the reducing agent is metered in 78 adjusted on the basis of the calculated ammonia concentration NH3_mod in order to minimize the ammonia slip and thus optimize the consumption of reducing agents. In a process step <140> that in the exhaust duct 42 downstream of the particle filter 48 ammonia in the second SCR catalyst 52 stored or used directly for the selective, catalytic reduction of nitrogen oxides.

In 3 ist ein Diagramm dargestellt, welches den Ammoniak-Schlupf in Abhängigkeit eines Fahrprofils eines Kraftfahrzeuges darstellt. Dabei ist in einer ersten, mit durchgezogener Linie dargestellten Kurve die gemessene Ammoniakkonzentration stromabwärts des Partikelfilters 48 dargestellt. In einer zweiten, mit gestrichelter Linie dargestellten Kurve ist die mittels des vorgeschlagenen Berechnungsmodells ermittelte Ammoniakkonzentration im Abgaskanal 42 stromabwärts des Partikelfilters 48 berechnete Ammoniakkonzentration dargestellt. Durch die Sensitivität des zweiten NOx-Sensors 64 stromabwärts des Partikelfilters 48 lässt sich auf diese Art und Weise zuverlässig und unabhängig vom Alterungszustand der SCR-Beschichtung 50 des Partikelfilters 48 der Ammoniak-Schlupf stromabwärts des Partikelfilters 48 bestimmen. In 3rd a diagram is shown which shows the ammonia slip as a function of a driving profile of a motor vehicle. The measured ammonia concentration is downstream of the particle filter in a first curve shown with a solid line 48 shown. In a second curve, shown with a dashed line, the ammonia concentration in the exhaust gas duct determined by means of the proposed calculation model is 42 downstream of the particle filter 48 calculated ammonia concentration shown. Due to the sensitivity of the second NOx sensor 64 downstream of the particle filter 48 can be reliably and independently of the aging condition of the SCR coating 50 of the particle filter 48 the ammonia slip downstream of the particle filter 48 determine.

BezugszeichenlisteReference list

1010th: VerbrennungsmotorInternal combustion engine
1212th: BrennraumCombustion chamber
1414: KraftstoffinjektorFuel injector
1616: Einlassinlet
1818th: Auslass Outlet
2020: LuftversorgungsystemAir supply system
2222: LuftfilterAir filter
2424th: LuftmassenmesserAir mass meter
2626: Verdichtercompressor
2828: Ansaugkanal Intake duct
3030th: Drosselklappethrottle
3232: LadeluftkühlerIntercooler
3434: EinmündungConfluence
3636: AbgasturboladerExhaust gas turbocharger
3838: Temperatursensor Temperature sensor
4040: AbgasanlageExhaust system
4242: AbgaskanalExhaust duct
4444: Turbineturbine
4646: Oxidationskatalysator / NOx-SpeicherkatalysatorOxidation catalytic converter / NOx storage catalytic converter
4848: Partikelfilter Particle filter
5050: Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von StickoxidenCoating for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides
5252: zweiter SCR-Katalysatorsecond SCR catalytic converter
5454: Ammoniak-SperrkatalysatorAmmonia barrier catalyst
5656: erstes Dosierelementfirst dosing element
5858: zweites Dosierelementsecond dosing element
6060: AbgasklappeExhaust flap
6262: erster NOx-Sensorfirst NOx sensor
6464: zweiter NOx-Sensorsecond NOx sensor
6666: DifferenzdrucksensorDifferential pressure sensor
6868: erster Abgasmischer first exhaust mixer
7070: zweiter Abgasmischersecond exhaust mixer
7272: Verzweigungbranch
7474: ReduktionsmittelleitungReducing agent line
76 76: ReduktionsmittelbehälterReducing agent tank
7878: Reduktionsmittel Reducing agent
8080: Niederdruck-AbgasrückführungLow pressure exhaust gas recirculation
8282: AbgasrückführungskühlerExhaust gas recirculation cooler
8484: AbgasrückführungsventilExhaust gas recirculation valve
8686: AbgasrückführungsleitungExhaust gas recirculation line
8888: Temperatursensor Temperature sensor
9090: MotorsteuergerätEngine control unit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102010026317 A1 [0006]DE 102010026317 A1 [0006]
DE 102010026373 A1 [0007]DE 102010026373 A1 [0007]
DE 102014019483 A1 [0008]DE 102014019483 A1 [0008]

Claims

Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10), der mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (40) verbunden ist, wobei in der Abgasanlage (40) stromabwärts einer Turbine (44) eines Abgasturboladers (36) ein motornaher Partikelfilter (48) mit einer Beschichtung (50) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden und stromabwärts des Partikelfilters (48) ein zweiter SCR-Katalysator (52) angeordnet sind, und wobei stromaufwärts des Partikelfilters (48) ein erster NOx-Sensor (62) und stromabwärts des Partikelfilters (48) und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators (52) ein zweiter NOx-Sensor (64) angeordnet sind, sowie mit einem Dosierelement (56), mit welchem ein Reduktionsmittel (78) stromaufwärts des Partikelfilters (48) in den Abgaskanal (42) eindosierbar ist, welches folgende Schritte umfasst: - Eindosieren des Reduktionsmittels (78) in den Abgaskanal (42) des Verbrennungsmotors (10), wobei stromaufwärts des Partikelfilters (48) eine erste NOx-Konzentration (NOx_1) im Abgaskanal (42) gemessen wird, - Messen einer zweiten NOx-Konzentration (NOx_2) stromabwärts des Partikelfilters (48) und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators (52), wobei - eine Ammoniak-Konzentration (NH3_mod) stromabwärts des Partikelfilters (48) und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators (52) mittels der gemessenen Stickoxidkonzentrationen (NOx_1, NOx_2) berechnet wird, wobei - die Eindosierung des Reduktionsmittels (78) auf Basis der berechneten Ammoniak-Konzentration (NH3_mod) angepasst wird, und wobei - das im Abgaskanal (42) stromabwärts des Partikelfilters (48) befindliche Ammoniak (NH3) im zweiten SCR-Katalysator (52) eingelagert oder zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden genutzt wird.Method for exhaust gas aftertreatment of an internal combustion engine (10), the outlet (18) of which is connected to an exhaust gas system (40), a particle filter (48) close to the engine also being located in the exhaust gas system (40) downstream of a turbine (44) of an exhaust gas turbocharger (36) a coating (50) for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides and a second SCR catalytic converter (52) are arranged downstream of the particle filter (48), and a first NOx sensor (62) upstream of the particle filter (48) and downstream of the particle filter ( 48) and a second NOx sensor (64) are arranged upstream of the second SCR catalytic converter (52), as well as with a metering element (56) with which a reducing agent (78) upstream of the particle filter (48) into the exhaust gas duct (42) can be metered in, which comprises the following steps: Dosing the reducing agent (78) into the exhaust gas duct (42) of the internal combustion engine (10), a first NOx concentration (NOx_1) in the exhaust gas duct (42) being measured upstream of the particle filter (48), - Measuring a second NOx concentration (NOx_2) downstream of the particle filter (48) and upstream of the second SCR catalyst (52), wherein - An ammonia concentration (NH3_mod) downstream of the particle filter (48) and upstream of the second SCR catalyst (52) is calculated using the measured nitrogen oxide concentrations (NOx_1, NOx_2), wherein - The dosage of the reducing agent (78) is adjusted on the basis of the calculated ammonia concentration (NH3_mod), and wherein - The ammonia (NH3) located in the exhaust duct (42) downstream of the particle filter (48) is stored in the second SCR catalytic converter (52) or is used for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides.

Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wirkungsgradmodell für die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden des Partikelfilters (48) ermittelt wird.Exhaust gas aftertreatment process after Claim 1 , characterized in that an efficiency model for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides of the particle filter (48) is determined.

Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Differenz der Sickoxid-Konzentration stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters (48) ermittelt wird und aus der Differenz die durch den Partikelfilter (48) konvertierte Masse an Stickoxiden berechnet wird.Exhaust gas aftertreatment process after Claim 1 or 2nd , characterized in that a difference in the concentration of sick oxide upstream and downstream of the particle filter (48) is determined and from the difference the mass of nitrogen oxides converted by the particle filter (48) is calculated.

Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ammoniakkonzentration (NH3_mod) nach der folgenden Formel ermittelt wird:

N H 3_{m o d} = N O x_2 - (N O x_{1} * (1 - W i r k u n g s g r a d m o d e l l S D P F))

Process for exhaust gas aftertreatment according to one of the Claims 2 , characterized in that the ammonia concentration (NH3_mod) is determined using the following formula:

N H {3rd}_{m O d} = N O x_2nd - (N O x_{1} * (1 - W i r k u n G s G r a d m O d e l l S D P F))

Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass über das Wirkungsgradmodell ein Alterungsfaktor für den Partikelfilter (48) ermittelt wird.Process for exhaust gas aftertreatment according to one of the Claims 2 or 4th , characterized in that an aging factor for the particle filter (48) is determined via the efficiency model.

Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor (10), welcher mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (40) verbunden ist, wobei in der Abgasanlage (40) stromabwärts einer Turbine (44) eines Abgasturboladers (36) ein motornaher Partikelfilter (48) mit einer Beschichtung (50) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden und stromabwärts des Partikelfilters (48) ein zweiter SCR-Katalysator (52) angeordnet sind, und wobei stromaufwärts des Partikelfilters (48) ein erster NOx-Sensor (62) und stromabwärts des Partikelfilters (48) und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators (52) ein zweiter NOx-Sensor (64) angeordnet sind, sowie mit einem Dosierelement (56) mit welchem ein Reduktionsmittel (78) stromaufwärts des Partikelfilters (48) in den Abgaskanal (42) eindosierbar ist, sowie mit einem Motorsteuergerät (90), welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Motorsteuergerät (90) ausgeführt wird.Exhaust gas aftertreatment system for an internal combustion engine (10), whose outlet (18) is connected to an exhaust system (40), in the exhaust system (40) downstream of a turbine (44) of an exhaust gas turbocharger (36) a particle filter (48) close to the engine with a Coating (50) for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides and a second SCR catalytic converter (52) are arranged downstream of the particle filter (48), and a first NOx sensor (62) upstream of the particle filter (48) and downstream of the particle filter (48 ) and a second NOx sensor (64) are arranged upstream of the second SCR catalytic converter (52), and with a metering element (56) with which a reducing agent (78) can be metered upstream of the particle filter (48) into the exhaust gas duct (42) , and with an engine control unit (90) which is set up to carry out a method according to one of the Claims 1 to 5 to be carried out when a machine-readable program code is executed by the engine control unit (90).

Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite SCR-Katalysator (52) einen Ammoniak-Sperrkatalysator (54) aufweist oder dem zweiten SCR-Katalysator (52) ein Ammoniak-Sperrkatalysator (54) nachgeschaltet ist.Exhaust aftertreatment system after Claim 6 characterized in that the second SCR catalytic converter (52) has an ammonia blocking catalytic converter (54) or an ammonia blocking catalytic converter (54) is connected downstream of the second SCR catalytic converter (52).

Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Turbine (44) des Abgasturboladers (36) und stromaufwärts des Dosierelements (56) ein Oxidationskatalysator (46) oder ein NOx-Speicherkatalysator angeordnet ist.Exhaust aftertreatment system after Claim 6 or 7 , characterized in that an oxidation catalytic converter (46) or a NOx storage catalytic converter is arranged downstream of the turbine (44) of the exhaust gas turbocharger (36) and upstream of the metering element (56).

Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Partikelfilters (48) und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators (52) eine Niederdruck-Abgasrückführung (80) aus dem Abgaskanal (42) abzweigt. Exhaust aftertreatment system according to one of the Claims 6 to 8th , characterized in that a low-pressure exhaust gas recirculation (80) branches off from the exhaust duct (42) downstream of the particle filter (48) and upstream of the second SCR catalytic converter (52).

Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Partikelfilters (48) und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators (52) ein zweites Dosierelement (58) angeordnet ist, wobei das erste Dosierelement (56) und das zweite Dosierelement (58) aus einem gemeinsamen Reduktionsmittelbehälter (76) mit Reduktionsmittel (78) versorgt werden.Exhaust aftertreatment system according to one of the Claims 6 to 9 , characterized in that a second metering element (58) is arranged downstream of the particle filter (48) and upstream of the second SCR catalytic converter (52), the first metering element (56) and the second metering element (58) from a common reducing agent container (76 ) can be supplied with reducing agent (78).