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Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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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. Um die hohen Anforderungen an minimale Stickoxidemissionen zu erfüllen, sind Abgasnachbehandlungssysteme bekannt, welche zwei in Reihe geschaltete SCR-Katalysatoren aufweisen, wobei jedem der SCR-Katalysatoren ein Dosierelement zur Eindosierung eines Reduktionsmittels vorgeschaltet ist. Als Reduktionsmittel wird dabei bevorzugt 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.
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Durch die zunehmende Verschärfung der Emissionsgesetzgebung ist ein schnelles Erreichen der Light-Off-Temperaturen der Abgasnachbehandlungskomponenten notwendig. Dafür müssen hohe Abgastemperaturen erzeugt werden. Für eine maximale Effizienz von Verbrennungsmotoren ist es zudem zielführend, die Wärme aus dem Abgas zumindest teilweise nutzbar zu machen, bevor sie in die Umgebung emittiert wird.
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Aus der
DE 31 44 349 A1 ist ein selbstzündender Verbrennungsmotor mit Kompressionszündung bekannt, in dessen Abgasanlage ein Rußpartikelfilter und stromabwärts des Rußpartikelfilters ein Wärmetauscher angeordnet ist. An dem Rußpartikelfilter ist eine Sekundärluftversorgung und ein Abgasbrenner vorgesehen, um die zur Regeneration des Rußpartikelfilters notwendige Temperatur zu erreichen und den Sauerstoff für die Regeneration bereitzustellen. Ein Teil der bei der Regeneration des Partikelfilters freigesetzten Wärme kann durch den Wärmetauscher zurückgewonnen werden und an einen Betriebsmittelkreislauf des Verbrennungsmotors abgegeben werden.
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Aus der
DE 103 55 664 ist ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor bekannt, mit welchem Rußpartikel und Stickoxide aus dem Abgas eines Dieselmotors entfernt werden können. Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst einen Abgasbrenner, einen Dieselpartikelfilter, einen Wärmetauscher und einen NOx-Absorber. Dabei wird über den Wärmetauscher die Abgastemperatur vor dem Eintritt des Abgasstroms in den NOx-Adsorber eingestellt. Über ein Steuergerät werden der Abgasbrenner und der Fluiddurchsatz durch den Wärmetauscher gesteuert, um den Wirkungsgrad des Dieselpartikelfilters und des NOx-Adsorbers zu verbessern.
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Die
EP 1 469 173 B1 offenbart ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Dieselmotor mit einer Abgasnachbehandlungskomponente zur Reduzierung der NOx-Emissionen, eine stromabwärts dieser Abgasnachbehandlungskomponente angeordnete Heizeinrichtung und einen stromabwärts der Heizeinrichtung angeordneten Dieselpartikelfilter. Die Heizeinrichtung ist dazu vorgesehen, den Abgasstrom auf eine Regenerationstemperatur des Dieselpartikelfilters aufzuheizen, wobei die Abgasnachbehandlungskomponente zur Reduzierung der NOx-Emissionen stromabwärts einer Kühleinrichtung zum Kühlen des Abgasstroms angeordnet ist, und wobei eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, welche die Kühleinrichtung und die Heizeinrichtung steuert. Ferner ist aus der
EP 1 469 173 B1 ein Wärmetauscher bekannt, welcher stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente zur Reduzierung der NOx-Emissionen angeordnet ist, um den Abgasstrom vor Eintritt in die Abgasnachbehandlungskomponente zur Reduzierung der Stickoxidemissionen abkühlen zu können.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem Verbrennungsmotor die Kaltstartemissionen weiter zu reduzieren und die dazu benötigte Energie zumindest teilweise zurückzugewinnen.
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Die Aufgabe wird durch ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor gelöst, welcher mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage des Abgasnachbehandlungssystems verbindbar ist, gelöst, wobei die Abgasanlage einen Abgaskanal umfasst, in welchem eine Turbine eines Abgasturboladers und in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors durch den Abgaskanal stromabwärts der Turbine ein Oxidationskatalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator angeordnet ist. Stromabwärts des Oxidationskatalysators oder des NOx-Speicherkatalysators sind ein Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden und stromabwärts des Partikelfilters ein zweiter SCR-Katalysator angeordnet. Dabei zweigt an einer Verzweigung stromabwärts des Partikelfilters eine Niederdruck-Abgasrückführung aus dem Abgaskanal ab. Es ist vorgesehen, dass stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers und stromaufwärts des Partikelfilters ein Abgasbrenner und stromabwärts des Partikelfilters eine Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung angeordnet sind. Durch ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem ist es möglich, die Abgasnachbehandlungskomponenten möglichst zeitnah nach einem Start des Verbrennungsmotors auf ihre jeweilige Light-Off-Temperatur aufzuheizen und somit eine effiziente Konvertierung von Schadstoffen im Abgas des Verbrennungsmotors zu ermöglichen. Gleichzeitig kann ein Teil der zum Heizen benötigten Energie über die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung zurückgewonnen werden. Das Abgaswärmerückgewinnungssystem wandelt die Wärme in mechanische oder elektrische Arbeit und stellt diese dem Antrieb oder dem Bordnetz des Fahrzeuges zur Verfügung und reduziert somit Gesamtkraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors. Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden, wenn in der Abgasanlage ein Partikelfilter verbaut ist, um die Regeneration des Partikelfilters zu ermöglichen. Dazu werden hohe Abgastemperaturen von 600°C und mehr benötigt, um den Ruß im Partikelfilter zu oxidieren. Gerade bei so hohen Abgastemperaturen wird viel Energie über den Abgasstrom an die Umwelt emittiert. Daher ist es gerade auch bei einer Regeneration des Partikelfilters nützlich, den Abgasstrom des Verbrennungsmotors durch die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung zu leiten und somit zumindest einen Teil dieser ansonsten ungenutzt in die Umwelt emittierten Energie zurückzugewinnen.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch genannten Verfahrens möglich.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abgasbrenner stromabwärts des Oxidationskatalysators oder des NOx-Speicherkatalysators und stromaufwärts des Partikelfilters angeordnet ist. Dadurch kann der gesamte Energieeintrag durch den Abgasbrenner genutzt werden, um den Partikelfilter mit der Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden aufzuheizen. Somit erreicht dieser Partikelfilter besonders schnell seine Light-Off-Temperatur, sodass ab diesem Zeitpunkt eine effiziente Reduzierung der Stickoxide im Abgasstrom mittels der selektiven, katalytischen Reduktion auf dem Partikelfilter möglich ist.
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Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Abgasbrenner stromabwärts der Turbine und stromaufwärts des Oxidationskatalysators oder des NOx-Speicherkatalysators angeordnet ist. Dadurch kann zusätzlich der Oxidationskatalysator oder der NOx-Speicherkatalysator aufgeheizt werden, wodurch dieser Katalysator besonders schnell seine Betriebstemperatur erreicht. Somit können unmittelbar nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenstoffmonoxid oxidiert und im Falle eines NOx-Speicherkatalysators Stickoxide eingespeichert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung im Abgaskanal stromabwärts des Partikelfilters und stromaufwärts der Verzweigung für die Niederdruck-Abgasrückführung angeordnet ist. Durch eine Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung unmittelbar stromabwärts des Partikelfilters mit der SCR-Beschichtung kann ein vergleichsweise heißes Abgas in die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung eingeleitet werden, wodurch ein besonders hoher Wirkungsgrad bei der Rückgewinnung erreicht wird.
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Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung im Abgaskanal stromabwärts der Verzweigung für die Niederdruck-Abgasrückführung und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators angeordnet ist. In diesem Fall wird zusätzlich ein Abgasrückführungskanal der Niederdruck-Abgasrückführung aufgeheizt, wodurch die Niederdruck-Abgasrückführung früher aktiviert werden kann und somit früher zur Emissionsminderung zur Verfügung steht.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite SCR-Katalysator einen Ammoniak-Sperrkatalysator umfasst oder dem zweiten SCR-Katalysator ein Ammoniak-Sperrkatalysator nachgeschaltet ist, wobei die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung im Abgaskanal stromabwärts des Ammoniak-Sperrkatalysators oder stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators und stromaufwärts des Ammoniak-Sperrkatalysators angeordnet ist. Dabei steht die Aufheizung sämtlicher Abgasnachbehandlungskomponenten im Vordergrund. Dabei ist die Energieausbeute der Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung vergleichsweise gering, jedoch erreichen die Abgasnachbehandlungskomponenten somit früher ihre jeweilige Light-Off-Temperatur, was zur Emissionsminimierung beitragen kann.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Niederdruck-Abgasrückführung ein Abgasrückführungskühler angeordnet ist, wobei der Abgasrückführungskühler als Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung genutzt wird. Dadurch kann auf einen zusätzlichen Wärmetauscher für die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung verzichtet werden, wodurch das Abgasnachbehandlungssystem besonders einfach und kostengünstig ausgeführt werden kann.
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Bevorzugt ist dabei, wenn in dem Abgaskanal stromabwärts der Verzweigung für die Niederdruck-Abgasrückführung eine Abgasklappe angeordnet ist, mit welcher ein Abgasstrom durch die Niederdruck-Abgasrückführung gesteuert werden kann, und die Abgasanlage einen Bypass aufweist, welcher den Abgaskanal stromabwärts der Abgasklappe mit einem Abgasrückführungskanal der Niederdruck-Abgasrückführung stromabwärts des Abgasrückführungskühlers verbindet. Durch einen Bypass kann das Abgas nach Durchströmen des Abgasrückführungskühlers wieder in den Abgaskanal des Verbrennungsmotors gelangen, sodass die Niederdruck-Abgasrückführung deaktiviert bleiben kann und die Gefahr reduziert wird, dass es zu Kondensatbildung in der Niederdruck-Abgasrückführung kommt.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn an einer Verzweigung des Abgasrückführungskanals mit dem Bypass ein Steuerelement, insbesondere eine Steuerklappe, angeordnet ist, mit welchem ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors durch den Abgasrückführungskühler und anschließend über den Bypass zurück in den Abgaskanal der Abgasanlage geleitet werden kann. Durch ein Steuerelement ist ein besonders einfaches Aufteilen und/oder Umleiten des Abgasstroms möglich. Alternativ kann die Aufteilung oder Steuerung des Abgasstroms auch durch ein Zusammenspiel der Abgasklappe im Abgaskanal, einer Abgasklappe im Bypass und dem Abgasrückführungsventil der Niederdruck-Abgasrückführung erfolgen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung einen Wärmetauscher umfasst, welcher mit einem Kühlmittelkreislauf oder einem Ölkreislauf des Verbrennungsmotors verbunden ist. Durch ein Aufheizen des Kühlmittels geht in der Startphase weniger Abwärme über die Brennraumwände des Verbrennungsmotors verloren, wodurch die Verbrennungstemperatur und damit verbunden die Abgastemperatur steigt. Ferner kann der Komfort des Kraftfahrzeuges durch ein schnelleres Aufheizen des Innenraums bei kalten Außentemperaturen gesteigert werden. Wird die Abwärme dem Ladeluftkühler zugeführt, kann die Ansaugluft vorgewärmt werden, was unmittelbar in einer höheren Abgastemperatur resultiert. Dadurch kann das Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponenten auf ihre jeweilige Light-Off-Temperatur begünstigt werden. Ferner kann durch ein Aufheizen des Ölkreislaufs das Schmierverhalten des Verbrennungsmotors verbessert werden, wodurch der Verschleiß am Verbrennungsmotor verringert und somit die Dauerhaltbarkeit des Verbrennungsmotors verbessert werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung einen Wärmetauscher umfasst, welcher mit einer Abgasdampfturbine in Wirkverbindung steht, mit welcher mechanische und/oder elektrische Energie über einen Clausius-Rankine-Prozess zurückgewonnen wird. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung nach einem Clausius-Rankine-Prozess arbeitet, wobei die Abwärme als mechanische und/oder elektrische Energie nutzbar gemacht wird. Dabei umfasst die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung einen Wärmetauscher mit einem nachgeschalteten System zur Energiewandlung, bei dem über einen Dampfkreislauf die Abwärme des Verbrennungsmotors in elektrische oder mechanische Energie gewandelt wird. Diese mechanische Energie kann zum Antrieb von Nebenaggregaten des Verbrennungsmotors genutzt werden, wodurch die zum Antrieb des Kraftfahrzeuges nutzbare Energie vergrößert werden kann, wodurch der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Energie auch in Form von elektrischer Energie zurückgewonnen werden und in das Bordnetz eingespeist werden. Insbesondere kann diese elektrische Energie auch in einer Batterie des Kraftfahrzeuges zwischengespeichert werden, sodass sie auch zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden kann, an welchem der Abgasbrenner nicht aktiv ist und keine Abgaswärmerückgewinnung über die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung erfolgt.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, welcher mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage eines Abgasnachbehandlungssystems verbunden ist, vorgeschlagen. Dabei umfasst die Abgasanlage einen Abgaskanal, in welchem eine Turbine eines Abgasturboladers und in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors durch den Abgaskanal stromabwärts der Turbine ein Oxidationskatalysator oder ein NOx-Speicherkatalysator angeordnet sind. Stromabwärts des Oxidationskatalysators oder des NOx-Speicherkatalysators ist ein Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden und stromabwärts des Partikelfilters ein zweiter SCR-Katalysator angeordnet. Dabei zweigt stromabwärts des Partikelfilters an einer Verzweigung eine Niederdruck-Abgasrückführung aus dem Abgaskanal ab. Es ist vorgesehen, dass ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors stromabwärts der Turbine und stromaufwärts des Partikelfilters durch einen Abgasbrenner erwärmt wird und stromabwärts des Partikelfilters durch eine Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung abgekühlt wird, wobei zumindest ein Teil der Abwärme des Abgasstroms zurückgewonnen wird. Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren ist es möglich, die Abgasnachbehandlungskomponenten möglichst zeitnah nach einem Start des Verbrennungsmotors auf ihre jeweilige Light-Off-Temperatur aufzuheizen und somit eine effiziente Konvertierung von Schadstoffen im Abgas des Verbrennungsmotors zu ermöglichen. Gleichzeitig kann ein Teil der zum Heizen benötigten Energie über die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung zurückgewonnen werden. Das Abwärmerückgewinnungssystem wandelt die Wärme in mechanische oder elektrische Arbeit und stellt diese dem Antrieb oder dem Bordnetz des Fahrzeuges zur Verfügung und reduziert somit Gesamtkraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors. Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden, wenn in der Abgasanlage ein Partikelfilter verbaut ist, um die Regeneration des Partikelfilters zu ermöglichen. Dazu werden hohe Abgastemperaturen von 600°C und mehr benötigt, um den Ruß im Partikelfilter zu oxidieren. Gerade bei so hohen Abgastemperaturen wird viel Energie über den Abgasstrom an die Umwelt emittiert. Daher ist es gerade auch bei einer Regeneration des Partikelfilters nützlich, den Abgasstrom des Verbrennungsmotors durch die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung zu leiten und somit zumindest einen Teil dieser ansonsten ungenutzt in die Umwelt emittierten Energie zurückzugewinnen.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass die zurückgewonnene Abwärme auf einen Ölkreislauf oder einen Kühlmittelkreislauf übertragen wird, um in einer Startphase des Verbrennungsmotors das Aufheizen des Öls und/oder des Kühlmittels zu beschleunigen. Durch ein Aufheizen des Kühlmittels geht in der Startphase weniger Abwärme über die Brennraumwände des Verbrennungsmotors verloren, wodurch die Verbrennungstemperatur und damit verbunden die Abgastemperatur steigt. Ferner kann der Komfort des Kraftfahrzeuges durch ein schnelleres Aufheizen des Innenraums bei kalten Außentemperaturen gesteigert werden. Wird die Abwärme dem Ladeluftkühler zugeführt, kann die Ansaugluft vorgewärmt werden, was unmittelbar in einer höheren Abgastemperatur resultiert. Dadurch kann das Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponenten auf ihre jeweilige Light-Off-Temperatur begünstigt werden. Ferner kann durch ein Aufheizen des Ölkreislaufs das Schmierverhalten des Verbrennungsmotors verbessert werden, wodurch der Verschleiß am Verbrennungsmotor verringert und somit die Dauerhaltbarkeit des Verbrennungsmotors verbessert werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung nach einem Clausius-Rankine-Prozess arbeitet, wobei die Abwärme als mechanische und/oder elektrische Energie nutzbar gemacht wird. Dabei umfasst die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung einen Wärmetauscher mit einem nachgeschalteten System zur Energiewandlung, bei dem über einen Dampfkreislauf die Abwärme des Verbrennungsmotors in elektrische oder mechanische Energie gewandelt wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass die über die Abgasrückgewinnungseinrichtung zurückgewonnene Energie in mechanische Energie konvertiert wird. Dabei kann die mechanische Energie beispielsweise zum Antrieb von Nebenaggregaten des Verbrennungsmotors oder anderer Verbraucher genutzt werden, wodurch sich eine Wirkungsgradverbesserung erzielen lässt.
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Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass die über die Abgasrückgewinnungseinrichtung zurückgewonnene Energie in elektrische Energie konvertiert wird. Die elektrische Energie kann auf vergleichsweise einfache Art und Weise in einer Batterie zwischengespeichert werden, sodass diese auch zu Betriebszeitpunkten genutzt werden kann, wenn aktuell keine weitere Energie durch die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung erzeugt wird. Des Weiteren wird die serienmäßige Lichtmaschine entlastet, was wiederum zu einer Effizienzsteigerung des Verbrennungsmotors führt.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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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 ein erstes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor;
- 2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor;
- 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors;
- 4 eine weitere Alternative eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor; und
- 5 ein Ablaufschema für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem.
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1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 mit einer Mehrzahl von Brennräumen 12. In 1 ist beispielhaft ein Verbrennungsmotor 10 mit vier Brennräumen 12 dargestellt. Prinzipiell sind Verbrennungsmotoren 10 mit einer anderen Anzahl an Brennräumen 12 möglich. Der Verbrennungsmotor 10 ist vorzugsweise als direkteinspritzender Dieselmotor ausgeführt. An den Brennräumen 12 ist jeweils ein Kraftstoffinjektor 14 zum Einspritzen eines brennbaren Kraftstoffs in den jeweiligen Brennraum 12 angeordnet. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 22 eines Abgasnachbehandlungssystems 20 verbunden, welche einen Abgaskanal 24 umfasst. In Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 24 ist stromabwärts einer Turbine 28 eines Abgasturboladers 26 als erste Komponente der Abgasnachbehandlung ein Oxidationskatalysator 30 oder ein NOx-Speicherkatalysator 32 angeordnet. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 30 oder des NOx-Speicherkatalysators 32 ist ein Partikelfilter 34 mit einer Beschichtung 36 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 34 ist ein weiterer SCR-Katalysator 38 angeordnet. Der zweite SCR-Katalysator 38 umfasst einen Ammoniak-Sperrkatalysator 40, welcher auslassseitig in den zweiten SCR-Katalysator 38 integriert ist. Die Turbine 28 des Abgasturboladers 26 treibt einen nicht dargestellten Verdichter in einem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors 10 an, um die den Brennräumen 12 zugeführte Frischluftmenge zu erhöhen. Dazu ist der Ansaugtrakt mit einem Einlass 16 des Verbrennungsmotors 10 verbunden.
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Stromabwärts des Oxidationskatalysators 30 oder des NOx-Speicherkatalysators 32 und stromaufwärts des Partikelfilters 34 ist im Abgaskanal 24 ein erstes Dosierelement 42 angeordnet, mit welchem ein Reduktionsmittel 70, insbesondere wässrige Harnstofflösung, in den Abgaskanal 24 stromaufwärts des Partikelfilters 34 eindosiert werden kann. Stromabwärts des Partikelfilters 34 und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 38 ist eine Verzweigung 54 vorgesehen, an welcher ein Abgasrückführungskanal 92 einer Niederdruck-Abgasrückführung 56 aus dem Abgaskanal 24 abzweigt.
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Stromabwärts der Verzweigung 54 und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 38 ist im Abgaskanal 24 eine Abgasklappe 64 angeordnet, mit welcher der Abgasgegendruck im Abgaskanal 24 erhöht und somit der über die Niederdruck-Abgasrückführung 56 zurückgeführte Abgasstrom gesteuert werden kann. Ferner kann stromabwärts der Verzweigung 54 und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 38 ein zweites Dosierelement 44 vorgesehen sein, mit welchem das Reduktionsmittel 70 stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 38 in den Abgaskanal 24 eindosiert werden kann. Die Dosierelemente 42, 44 sind über Reduktionsmittelleitungen 72, 74 mit einem Vorratsbehälter 76 verbunden, in welchem das Reduktionsmittel 70 bevorratet ist.
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Das Abgasnachbehandlungssystem 20 umfasst einen Abgasbrenner 46, mit welchem ein heißes Brennerabgas des Abgasbrenners 46 stromabwärts des Oxidationskatalysators 30 oder des NOx-Speicherkatalysators 32 und stromaufwärts des Partikelfilters 34 in den Abgaskanal 24 des Verbrennungsmotors 10 eingeleitet werden kann, um den Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 aufzuheizen und somit die Temperatur des Partikelfilters 34 anzuheben, um die Beschichtung 36 des Partikelfilters 34 auf ihre Light-Off-Temperatur aufzuheizen oder eine Regeneration des Partikelfilters 34 einzuleiten. Alternativ kann das heiße Brennerabgas des Abgasbrenners 46 auch stromaufwärts des Oxidationskatalysators 30 oder des NOx-Speicherkatalysators 32, insbesondere stromabwärts der Turbine 28 des Abgasturboladers 26 und stromaufwärts des Oxidationskatalysators 30 oder des NOx-Speicherkatalysators 32 in den Abgaskanal 24 eingeleitet werden
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Stromabwärts des Partikelfilters 34 ist eine Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung 48 vorgesehen, welche einen Wärmetauscher 50 umfasst, welcher mit einem Kühlmittelkreislauf 84 des Verbrennungsmotors 10 verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Wärmetauscher 50 auch mit einem Ölkreislauf 86 des Verbrennungsmotors 10 verbunden sein. Der Wärmetauscher 50 ist vorzugsweise stromabwärts des Partikelfilters 34 und stromaufwärts der Verzweigung 54 für die Niederdruck-Abgasrückführung 56 angeordnet. Alternativ kann der Wärmetauscher 50 auch stromabwärts der Verzweigung 54 und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 38 oder stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators 38 angeordnet sein.
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Die Niederdruck-Abgasrückführung 56 umfasst einen Abgasrückführungskanal 92, in welchem ein Abgasrückführungskühler 52 und ein Abgasrückführungsventil 68 angeordnet sind. Über das Abgasrückführungsventil 68 kann die zurückgeführte Abgasmenge gesteuert werden. Dabei wird die Abgasrückführung erst dann freigegeben, wenn das Abgas eine Mindesttemperatur für die Niederdruck-Abgasrückführung 56 erreicht hat, um ein Auskondensieren von Abgaskomponenten in der Niederdruck-Abgasrückführung 56 zu vermeiden.
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Ferner kann im Abgaskanal 24 mindestens ein Temperatursensor 80 und/oder ein Abgassensor 78, insbesondere ein NOx-Sensor 82 vorgesehen sein, um die Temperatur und/oder die Schadstoffkonzentration im Abgasstrom zu messen und die Abgasnachbehandlung entsprechend anzupassen.
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Ein Abgasturbolader 26 trägt zwar prinzipiell zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors 10 bei, entzieht dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 über die Turbine 28 aber ebenfalls Enthalpie, welche zum Antrieb des Verdichters des Abgasturboladers 26 genutzt wird. Um ein möglichst schnelles Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponenten 30, 32, 34, 36, 38, 40 nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 zu gewährleisten, wird der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgasbrenner 46 in dieser Kaltstartphase beheizt. Ferner kann der Abgasbrenner anstelle von innermotorischen Heizmaßnahmen oder zusätzlich zu innermotorischen Heizmaßnahmen genutzt werden, um den Partikelfilter 34 auf seine Regenerationstemperatur aufzuheizen.
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Um diese Wärme nicht ungenutzt in die Umwelt zu emittieren, ist stromabwärts des Partikelfilters 34 eine Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung 48 vorgesehen, mit welcher eine Teilmenge der Abgasenthalpie zurückgewonnen wird. Die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung 48 kann insbesondere einen Abgaswärmetauscher 50 umfassen, welcher mit einem Kühlmittelkreislauf 84 oder einem Ölkreislauf 86 des Verbrennungsmotors 10 verbunden ist.
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Alternativ kann die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung einen Wärmetauscher eines nachgeschalteten Systems zur Energiewandlung 88 umfassen, wobei das Trägermedium für das System zur Energiewandlung 88 durch den Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 aufgeheizt und einem Dampfkreislauf zur Verfügung gestellt wird. Alternativ sind auch andere Möglichkeiten der Abgaswärmerückgewinnung möglich, wie zum Beispiel thermoelektrische Generatoren (TEG). Durch ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem 20 mit einem Abgasbrenner 46 und einer Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung 48 kann die Restwärme des Abgases genutzt werden, sodass sich der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 10 steigern lässt und/oder der Verbrauch reduziert werden kann. Zudem kann die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung 48 bei Fahrprofilen mit hohen Lastzuständen des Verbrennungsmotors 10 auch ohne Heizmaßnahmen genutzt werden, um einen Teil der Abwärme des Abgases zu nutzen und somit den Wirkungsgrad des Gesamtsystems weiter zu verbessern. Solche Fahrprofile treten insbesondere bei der Verwendung eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 10 zum Antrieb eines Nutzfahrzeuges auf, wenn der Verbrennungsmotor 10 des Fahrzeuges aufgrund der Beladung oder des Streckenprofils mit entsprechender Leistung betrieben wird.
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In 2 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 20 dargestellt. Das Abgasnachbehandlungssystem 20 umfasst eine Abgasanlage 22 mit einem Abgaskanal 24, in dem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 stromabwärts des Auslasses 18 des Verbrennungsmotors 10 eine Turbine 28 eines Abgasturboladers 26 angeordnet ist. Stromabwärts der Turbine 28 des Abgasturboladers 26 ist als erste Komponente der Abgasnachbehandlung ein Oxidationskatalysator 30 oder ein NOx-Speicherkatalysator 32 angeordnet. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 30 oder des NOx-Speicherkatalysators 32 ist ein Partikelfilter 34 mit einer Beschichtung 36 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 34 ist ein weiterer SCR-Katalysator 38 angeordnet. Der zweite SCR-Katalysator 38 umfasst einen Ammoniak-Sperrkatalysator 40, welcher auslassseitig in den zweiten SCR-Katalysator 38 integriert ist.
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Stromabwärts des Partikelfilters 34 ist eine erste Verzweigung 54 vorgesehen, an welcher ein Abgasrückführungskanal 92 einer Niederdruck-Abgasrückführung 56 aus dem Abgaskanal 24 abzweigt. In dem Abgasrückführungskanal 92 ist ein Abgasrückführungskühler 52 angeordnet. Stromabwärts der ersten Verzweigung 54 ist eine Abgasklappe 64 angeordnet. Stromabwärts der Abgasklappe 64 ist eine zweite Verzweigung 60 vorgesehen, an welcher ein Bypass 58 für den Abgasrückführungskühler 52 aus dem Abgaskanal 24 abzweigt und stromabwärts des Abgasrückführungskühlers 52 an einer dritten Verzweigung 62 in den Abgasrückführungskanal 92 einmündet. Dabei übernimmt der Abgasrückführungskühler die Funktion des Wärmetauschers 50 der Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung. Durch ein Schließen der Abgasklappe 64 wird das durch den Abgasbrenner 46 aufgeheizte Abgas durch den Abgasrückführungskühler 52 geleitet. Dabei ist das Abgasrückführungsventil 68 ebenfalls geschlossen, sodass der Abgasstrom nach Durchströmen des Abgasrückführungskühlers 52 über den Bypass 58 wieder zurück in den Abgaskanal 24 strömt.
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In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 20 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, ist in diesem Ausführungsbeispiel der Abgasbrenner 46 stromabwärts der Turbine 28 des Abgasturboladers 26 und stromaufwärts des Oxidationskatalysators 30 oder des NOx-Speicherkatalysators 32 angeordnet. Die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung 48 ist stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators 38 angeordnet und als System zur Energiewandlung 88 nach einem Clausius-Rankine-Prozess ausgeführt. Dadurch kann eine Abgasturbine angetrieben werden, mit deren Hilfe mechanische und/oder elektrische Energie zurückgewonnen wird, welche zum Antrieb von Nebenaggregaten des Verbrennungsmotors 10 genutzt werden kann.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems 20 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, ist in diesem Ausführungsbeispiel der Abgasbrenner 46 stromabwärts der Turbine 28 des Abgasturboladers 26 und stromaufwärts des Oxidationskatalysators 30 oder des NOx-Speicherkatalysators 32 angeordnet. Die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung 48 ist stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators 38 und stromaufwärts des Ammoniak-Sperrkatalysators 40 angeordnet. Die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung 48 umfasst einen Wärmetauscher 50, welcher mit einem Kühlmittelkreislauf 84 oder einem Ölkreislauf 86 des Verbrennungsmotors 10 verbunden ist. Alternativ kann der Wärmetauscher 50 auch als System zur Energiewandlung 88 nach einem Clausius-Rankine-Prozess ausgeführt sein.
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In 5 ist ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors 10 mit einem Abgasnachbehandlungssystem gemäß 3 dargestellt. Dabei wird in einem ersten Verfahrensschritt <100> der Verbrennungsmotor 10 gestartet. In einem Verfahrensschritt <110> wird der Abgasbrenner 46 aktiviert. In einem Verfahrensschritt <120> wird die Abgasklappe 62 geschlossen. Dabei kann der Verfahrensschritt <120> auch zeitgleich mit dem Verfahrensschritt <110> oder vor dem Verfahrensschritt <110> ausgeführt werden. In einem Verfahrensschritt <130> wird der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 durch das Einleiten eines heißen Brennerabgases des Abgasbrenners 46 aufgeheizt. Das heiße Abgas wird durch den Abgasrückführungskühler 52 der Niederdruck-Abgasrückführung 56 geleitet und von dort über den Bypass 58 wieder zurück in den Abgaskanal 24, wodurch auch der zweite SCR-Katalysator 38 durch diesen Abgasstrom aufgeheizt wird. Durch das Durchströmen des Niederdruck-Abgasrückführungskühlers 52 wird das Kühlmittel in dem Kühlmittelkreislauf 84 des Verbrennungsmotors 10 aufgeheizt. Da der Kühlmittelkreislauf auch mit einem Ladeluftkühler in dem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors 10 verbunden ist, wird in einem Verfahrensschritt <140> die Ansaugluft erwärmt, wodurch die Brennraumtemperatur und damit verbunden die Abgastemperatur des Verbrennungsmotors 10 steigt. Sind die Abgasnachbehandlungskomponenten 30, 32, 34, 36, 38 auf ihre Betriebstemperatur aufgeheizt, wird in einem Verfahrensschritt <150> der Abgasbrenner 46 wieder deaktiviert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Brennraum
- 14
- Kraftstoffinjektor
- 16
- Einlass
- 18
- Auslass
- 20
- Abgasnachbehandlungssystem
- 22
- Abgasanlage
- 24
- Abgaskanal
- 26
- Abgasturbolader
- 28
- Turbine
- 30
- Oxidationskatalysator
- 32
- NOx-Speicherkatalysator
- 34
- erster SCR-Katalysator
- 36
- Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung
- 38
- zweiter SCR-Katalysator
- 40
- Ammoniak-Sperrkatalysator
- 42
- erstes Dosierelement
- 44
- zweites Dosierelement
- 46
- Abgasbrenner
- 48
- Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung
- 50
- Wärmetauscher
- 52
- Abgasrückführungskühler
- 54
- erste Verzweigung
- 56
- Niederdruck-Abgasrückführung
- 58
- Bypass
- 60
- zweite Verzweigung
- 62
- dritte Verzweigung
- 64
- Abgasklappe
- 66
- Steuerklappe
- 68
- Niederdruck-Abgasrückführungsventil
- 70
- Reduktionsmittel
- 72
- erste Reduktionsmittelleitung
- 74
- zweite Reduktionsmittelleitung
- 76
- Vorratsbehälter
- 78
- Abgassensor
- 80
- Temperatursensor
- 82
- NOx-Sensor
- 84
- Kühlmittelkreislauf
- 86
- Ölkreislauf
- 88
- System zur Energiewandlung
- 90
- Motorsteuergerät
- 92
- Abgasrückführungskanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3144349 A1 [0004]
- DE 10355664 [0005]
- EP 1469173 B1 [0006]