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DE102019131829B3 - Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors Download PDF

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DE102019131829B3
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Germany
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exhaust gas
scr
temperature
scr system
internal combustion
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Asmus CARSTENSEN
Artur Semke
Stefan Wendenburg
Arne Brömer
Stefan PAUKNER
Andreas Herr
Martina Gottschling
Stefan Resch
Thomas Schulenburg
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Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) mit einem Luftversorgungssystem (20) und einer Abgasanlage (40), in welcher zwei SCR-Systeme (92, 94) sequenziell angeordnet sind, sowie mit einer Hochdruck-Abgasrückführung (34), welche die Abgasanlage (40) stromaufwärts einer Turbine (44) eines Abgasturboladers mit dem Luftversorgungssystem (20) stromabwärts eines Verdichters (98) des Abgasturboladers (30) verbindet und einer Niederdruck-Abgasrückführung (70), welche die Abgasanlage (40) stromabwärts des ersten SCR-Systems (92) und stromaufwärts des zweiten SCR-Systems (94) mit dem Luftversorgungssystem (20) stromaufwärts des Verdichters (98) verbindet.Es ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor (10) in vier verschiedenen Betriebsmodi betrieben werden kann, wobei die Abgasrückführung über die Hochdruck-Abgasrückführung (34) und die Niederdruck-Abgasrückführung (70) entsprechend angepasst wird, um mindestens ein SCR-System (92, 94) auf eine zur Konvertierung der Stickoxid-Emissionen idealen Temperatur zu bringen. Dabei werden in einem ersten Betriebsmodus des Verbrennungsmotors (10) das erste SCR-System (92) beheizt, in einem zweiten Betriebsmodus die Wärme vom ersten SCR-System (92) auf das zweite SCR-System (94) übertragen, in einem dritten Betriebsmodus das erste SCR-System (92) gekühlt und in einem viertem Betriebsmodus beide SCR-Systeme (92, 94) gekühlt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors sowie ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
  • 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 Stickoxid-Emissionen 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 einen 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.
  • Aus der EP 3 312 400 A1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor mit einem SCR-Katalysator sowie mehreren Bypässen in der Abgasanlage bekannt. Dabei wird ein Verfahren zur Temperierung eines SCR-Katalysators in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors beschrieben, wobei die Temperatur am Einlass des SCR-Katalysators erfasst wird und die Bypässe entsprechend geöffnet oder geschlossen werden, um die Abgastemperatur beim Eintritt in den SCR-Katalysator auf eine zur Konvertierung der Schadstoffe optimale Temperatur zu bringen.
  • Die WO 2015/130211 A1 offenbart ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem Abgasnachbehandlungssystem, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgasstroms durch das Abgasnachbehandlungssystem ein Dieselpartikelfilter, stromabwärts des Dieselpartikelfilters ein erster SCR-Katalysator und weiter stromabwärts ein zweiter SCR-Katalysator angeordnet sind.
    Dabei wird ein erstes Additiv zur Verringerung der NOx-Emissionen über ein erstes Dosierventil in den Abgasstrom eingebracht und durch den ersten SCR-Katalysator stromabwärts des ersten Dosierventils umgesetzt, wobei die Rußpartikel durch den Partikelfilter aufgefangen werden und Stickstoffmonoxid durch eine katalytische Beschichtung zu Stickstoffdioxid oxidiert wird. Ferner wird ein zweites Additiv zur Verringerung der NOx-Emissionen in den Abgasstrom durch ein zweites Dosierventil stromabwärts des Partikelfilters und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators eindosiert.
  • Aus der WO 2015/092180 A2 ist ein Verfahren zum Aufheizen eines SCR-Katalysators in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors mit einem Abgasturbolader bekannt, wobei die Abgasanlage eine dem SCR-Katalysator vorgeschaltete Gasreinigungseinrichtung aufweist, einen die Abgasanlage des Verbrennungsmotors mit dem Ansaugtrakt verbindende Abgasrückführungsleitung, einen Verzweigungskreis der Abgasrückführungsleitung, der in der Lage ist, einen Teil des zurückgeführten Abgases aufzunehmen und diesen Teil wieder in den Abgaskreislauf zwischen der Gasreinigungseinrichtung und dem SCR-Katalysator einzuleiten. Dabei ist vorgesehen, dass das Verfahren einen Schritt umfasst, in dem der Verzweigungskreislauf gemäß der Temperatur der in den Katalysator eintretenden Gase geöffnet oder geschlossen wird.
  • Die DE 10 2017 206 425 A1 offenbart ein Abgasnachbehandlungssystem zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors. Dabei umfasst das Abgasnachbehandlungssystem einen Katalysator zur Oxidation des Abgases und/oder einen Katalysator zur Speicherung von Stickoxiden, eine Einleitungsstelle zur Zuführung eines Reduktionsmittels, einen SCR-Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden und einen Partikelfilter. Dabei ist vorgesehen, dass der Partikelfilter in Strömungsrichtung nach dem SCR-Katalysator angeordnet ist und in Strömungsrichtung nach dem Partikelfilter ein zweiter SCR-Katalysator und/oder ein Ammoniak-Schlupf-Katalysator angeordnet ist.
  • DE 10 2016 118 309 A1 beschreibt ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem SCR-Partikelfilter und nachgeschaltetem SCR-Katalysator. Das System umfasst ferner eine Niederdruck-Abgasrückführung und eine Hochdruck-Abgasrückführung. Bei einer niedrigen Abgastemperatur wird die Füllung der Brennräume des Verbrennungsmotors reduziert, um den Abgasmassenstrom und damit die Auskühlung der SCR-Komponenten zu verhindern.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem Abgasnachbehandlungssystem mit zwei in Reihe geschalteten SCR-Katalysatoren die Temperatur mindestens eines SCR-Katalysators im optimalen Betriebsbereich bezüglich der selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden zu halten und somit die Konvertierung von Stickoxiden in der Abgasnachbehandlung weiter zu verbessern.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, dessen Einlass mit einem Luftversorgungssystem und dessen Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist, gelöst. Dabei ist eine Hochdruck-Abgasrückführung vorgesehen, welche die Abgasanlage stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers mit dem Luftversorgungssystem stromabwärts eines Verdichters des Abgasturboladers verbindet. Ferner sind in der Abgasanlage stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers ein motornahes erstes SCR-System und stromabwärts des motornahen ersten SCR-Systems ein zweites SCR-System angeordnet. Dabei zweigt stromabwärts des ersten SCR-Systems und stromaufwärts des zweiten SCR-Systems eine Niederdruck-Abgasrückführung aus einem Abgaskanal der Abgasanlage ab, welche den Abgaskanal mit einem Ansaugkanal des Luftversorgungssystems stromaufwärts des Verdichters des Abgasturboladers verbindet, umfassend folgende Schritte, welche vorzugsweise in einem Schubbetrieb des Verbrennungsmotors ausgeführt werden:
    • - Heizen des ersten SCR-Systems in einem ersten Betriebszustand des Verbrennungsmotors, wobei die Niederdruck-Abgasrückführung geöffnet und ein Abgaskanal der Abgasanlage stromabwärts der Verzweigung für die Niederdruck-Abgasrückführung durch eine Abgasklappe zumindest teilweise versperrt ist,
    • - Heizen des zweiten SCR-Systems in einem zweiten Betriebszustand des Verbrennungsmotors durch konvektive Wärmeübertragung vom ersten SCR-System auf das zweite SCR-System, wobei die Niederdruck-Abgasrückführung geschlossen und die Abgasklappe geöffnet ist,
    • - Kühlen des ersten SCR-Systems in einem dritten Betriebszustand des Verbrennungsmotors, wobei die Niederdruck-Abgasrückführung geöffnet und der Abgaskanal zumindest teilweise durch die Abgasklappe versperrt ist, wobei das zurückgeführte Abgas durch einen Abgasrückführungskühler in der Niederdruck-Abgasrückführung gekühlt wird (hierbei wird der Niederdruck-Abgasrückführungskühler aktiv von einem Kühlmedium, insbesondere vom Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors, gekühlt), und
    • - Kühlen des ersten SCR-Systems und des zweiten SCR-Systems in einem vierten Betriebszustand des Verbrennungsmotors, wobei die Niederdruck-Abgasrückführung und die Abgasklappe geöffnet sind und ein über die Niederdruck-Abgasrückführung zurückgeführter Abgasstrom durch einen Abgasrückführungskühler in der Niederdruck-Abgasrückführung gekühlt wird.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und nicht triviale Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahren zur Abgasnachbehandlung möglich.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abgastemperatur ermittelt und mit einer ersten Schwellentemperatur verglichen wird, wobei bei einer Abgastemperatur unterhalb der ersten Schwellentemperatur das erste SCR-System beheizt wird.
  • In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Abgastemperatur ermittelt wird und mit einer ersten Schwellentemperatur und einer zweiten Schwellentemperatur verglichen wird, wobei bei einer Abgastemperatur, welche zwischen der ersten Schwellentemperatur und der zweiten Schwellentemperatur liegt, das zweite SCR-System konvektiv durch die Abwärme des ersten SCR-Systems beheizt wird.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Abgastemperatur ermittelt wird und mit einer zweiten Schwellentemperatur und einer dritten Schwellentemperatur verglichen wird, wobei bei einer Abgastemperatur, welche zwischen der zweiten Schwellentemperatur und der dritten Schwellentemperatur liegt, das erste SCR-System durch den dritten Betriebszustand des Verbrennungsmotors gekühlt wird.
  • In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Abgastemperatur ermittelt wird und mit einer dritten Schwellentemperatur verglichen wird, wobei bei einer Abgastemperatur, welche oberhalb der dritten Schwellentemperatur liegt, das erste SCR-System und das zweite SCR-System durch den vierten Betriebszustand des Verbrennungsmotors gekühlt werden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Temperatur des ersten SCR-Systems und die Temperatur des zweiten SCR-Systems ermittelt werden, wobei die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten SCR-System und dem zweiten SCR-System ermittelt wird und mit einem vierten Schwellenwert verglichen wird, wobei bei einer Temperaturdifferenz, welche größer als der vierte Schwellenwert ist, die Wärme konvektiv vom ersten SCR-System auf das zweite SCR-System in dem zweiten Betriebszustand des Verbrennungsmotors übertragen wird, um die Temperaturdifferenz zwischen den beiden SCR-Systemen zu reduzieren.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Umschalten zwischen den vier Betriebsmodi des Verbrennungsmotors derart erfolgt, dass zumindest eines der SCR-Systeme eine Temperatur zwischen 250°C und 380°C aufweist.
  • Besonders bevorzugt ist dabei, wenn ein Umschalten zwischen den vier Betriebsmodi des Verbrennungsmotors derart erfolgt, dass beide SCR-Systeme eine Temperatur zwischen 200°C und 380°C, vorzugsweise zwischen 250°C und 350°C aufweisen.
  • In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass in dem vierten Betriebsmodus des Verbrennungsmotors ein Hochdruck-Abgasrückführungsventil geschlossen wird und der gesamte Abgasstrom über das erste SCR-System geleitet wird, um eine Kühlung des ersten SCR-Systems zu bewirken.
  • Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem Luftversorgungssystem und einer Abgasanlage, sowie mit einem Motorsteuergerät, welches dazu eingerichtet ist, ein solches Verfahren durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Motorsteuergerät ausgeführt wird.
  • Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
    • 1 einen Verbrennungsmotor mit einem Luftversorgungssystem und einer Abgasanlage in einem ersten Betriebszustand, bei dem ein motornahes SCR-System beheizt wird,
    • 2 den Verbrennungsmotor in einem zweiten Betriebszustand, in welchem ein SCR-System in Unterbodenlage durch die Abwärme des motornahen SCR-Systems beheizt wird,
    • 3 den Verbrennungsmotor in einem dritten Betriebszustand, in welchem das motornahe SCR-System gekühlt wird,
    • 4 den Verbrennungsmotor in einem vierten Betriebszustand, in welchem beide SCR-Systeme gekühlt werden,
    • 5 die Konvertierung von Stickoxiden in Abhängigkeit von der Ammoniak-Beladung eines SCR-Katalysators und der Temperatur, und
    • 6 die mögliche Ammoniak-Speichermenge eines SCR-Katalysators in Abhängigkeit von der Temperatur.
  • 1 zeigt die schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 10. Der Verbrennungsmotor 10 ist als direkteinspritzender Dieselmotor ausgeführt. Der Verbrennungsmotor 10 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 34 mit einer Abgasrückführungsleitung 38 und einem Hochdruck-Abgasrückführungsventil 36, 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.
  • Das Luftversorgungssystem 20 umfasst einen Ansaugkanal 22, in welcher in Strömungsrichtung von Frischluft durch den Ansaugkanal 22 ein Luftfilter 24, stromabwärts des Luftfilters 24 ein Luftmassenmesser 26, insbesondere ein Heißfilmluftmassenmesser, und stromabwärts des Luftmassenmessers 26 ein Verdichter 98 eines Abgasturboladers 30 angeordnet sind. Dabei kann der Luftmassenmesser 26 auch in einem Filtergehäuse des Luftfilters 24 angeordnet sein, sodass der Luftfilter 24 und der Luftmassenmesser 26 eine Baugruppe ausbildet. Stromabwärts des Verdichters 98 ist in dem Ansaugkanal 22 eine Drosselklappe 32 angeordnet, mit welcher die den Brennräumen 12 des Verbrennungsmotors 10 zugeführte Luftmenge gesteuert werden kann. Ferner ist ein Ladeluftkühler 96 vorgesehen, mit welchem die durch den Verdichter 98 verdichtete Frischluft vor Eintritt in die Brennräume 12 abgekühlt werden kann, um die Füllung der Brennräume 12 zu verbessern.
  • Die Abgasanlage 40 umfasst einen Abgaskanal 42, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 42 eine Turbine 44 des Abgasturboladers 30 angeordnet ist, welche den Verdichter 98 im Luftversorgungssystem 20 über eine Welle antreibt. Der Abgasturbolader 30 ist vorzugsweise als Abgasturbolader 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 ist als erste Komponente der Abgasnachbehandlung ein erster Katalysator 46, insbesondere ein Oxidationskatalysator 48 oder ein NOx-Speicherkatalysator 50 angeordnet, welcher einen Oxidationskatalysator 48 umfasst. Stromabwärts des ersten Katalysators 46 ist ein erstes SCR-System 92, welches einen Partikelfilter 54 mit einer Beschichtung 56 zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden umfasst, angeordnet. Stromabwärts des ersten Katalysators 46 und stromaufwärts des Partikelfilters 54 ist ein erstes Dosierventil 52 angeordnet, mit welchem ein Reduktionsmittel, insbesondere wässrige Harnstofflösung, in den Abgaskanal 42 des Verbrennungsmotors 10 eindosiert werden kann.
  • Stromabwärts des Partikelfilters 54 ist ein weiteres SCR-System 94 vorgesehen, welches einen zweiten SCR-Katalysator 60 umfasst, angeordnet. Dem zweiten SCR-Katalysator 60 ist ein Ammoniak-Sperrkatalysator 64 nachgeschaltet, welcher auslassseitig in den zweiten SCR-Katalysator 60 integriert ist oder als separater Katalysator dem zweiten SCR-Katalysator 60 nachgeschaltet ist.
  • Stromabwärts des Partikelfilters 54 und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 60 ist eine Verzweigung 58 vorgesehen, an welcher ein Abgasrückführungskanal 72 einer Niederdruck-Abgasrückführung 70 aus dem Abgaskanal 42 abzweigt. Stromabwärts der Verzweigung 58 und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 60 ist im Abgaskanal 42 ein zweites Dosierventil 62 angeordnet, mit welchem ein Reduktionsmittel zur selektiven, katalytischen Reduktion in den Abgaskanal 42 eingebracht werden kann. Ferner ist stromabwärts der Verzweigung, insbesondere stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators 60 eine Abgasklappe 66 angeordnet, mit welcher der Abgasgegendruck im Abgaskanal 42 erhöht und somit der über die Niederdruck-Abgasrückführung 70 zurückgeführte Abgasstrom gesteuert werden kann. In einer alternativen Ausführungsform kann die Abgasklappe 66 direkt nach der Verzweigung 58 und vor dem zweiten Dosierventil 62 positioniert werden. Ferner ist stromabwärts der Verzweigung 58 und stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 60 ein zweites Dosierventil 62 vorgesehen, mit welchem das Reduktionsmittel zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 60 in den Abgaskanal 42 eindosiert werden kann. Die Dosierventile 52, 62 sind über Reduktionsmittelleitungen mit einem Vorratsbehälter verbunden, in welchem das Reduktionsmittel bevorratet ist.
  • Die Niederdruck-Abgasrückführung 70 weist einlassseitig einen Filter 78 auf, welcher das Eindringen von Partikeln aus dem Abgasstrom in die Niederdruck-Abgasrückführung verhindert. Ferner sind in der Niederdruck-Abgasrückführung 70 ein Niederdruck-Abgasrückführungsventil 74 und ein Abgasrückführungskühler 76 angeordnet, mit welchem der zurückgeführte Abgasstrom abgekühlt werden kann, bevor er an einer Einmündung 28 in den Ansaugkanal 22 eingeleitet wird und sich dort mit dem Frischluftstrom vermischt.
  • Stromabwärts der Turbine 44 des Abgasturboladers 30 ist am Abgaskanal 42 ein erster Temperatursensor 80 angeordnet. Weitere Temperatursensoren 82, 84, 86, 88, 90 sind insbesondere vor und nach dem Partikelfilter 54, stromaufwärts des zweiten SCR-Katalysators 60, zwischen zweitem SCR-Katalysator 60 und Ammoniak-Sperrkatalysator 64 sowie stromabwärts des Ammoniak-Sperrkatalysators 64 und stromaufwärts der Abgasklappe 66 angeordnet, um die Abgastemperatur TEG an verschiedenen Positionen der Abgasanlage 40 zu erfassen und somit eine möglichst genaue Abschätzung der Bauteiltemperaturen der beiden SCR-Katalysatoren 56, 60 zu ermöglichen. Eine rechnerische Abschätzung von Bauteiltemperaturen ist jedoch auch möglich, welche zum Entfall einzelner Temperatursensoren im Abgaskanal führen kann.
  • Der Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Motorsteuergerät 68 verbunden, welches über nicht dargestellte Signalleitungen mit den Temperatursensoren 80, 82, 84, 86, 88, 90, den Dosierelementen 52, 62 und den Abgasrückführungsventilen 36, 74 verbunden ist. Ferner ist das Steuergerät mit den Injektoren 14 verbunden, um den Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffs sowie die Menge des in die Brennräume 12 eingespritzten Kraftstoffs zu steuern. Darüber hinaus kann mit dem Motorsteuergerät 68 die Stellung der Drosselklappe 32 sowie der Abgasklappe 66 variiert werden.
  • Die SCR-Systeme 92, 94 sind aufgrund der geringen Abgastemperaturen TEG bedingt durch die hohen Wirkungsgrade des Dieselmotors 10 dahingehend optimiert, bei geringer Abgasleistung und möglichst unmittelbar nach dem Kaltstart optimal zu funktionieren. Bei Kaltabfahrt, bzw. nach Motorstart mit kalter Abgasanlage, übernimmt im Wesentlichen das motornahe SCR-System 92 die Dosierung des Reduktionsmittels und der zugehörige erste SCR-Katalysator 56 die Konvertierung der NOx-Emission. Aufgrund der motornahen Anordnung ist der erste SCR-Katalysator 56 wesentlich schneller warm und betriebsbereit als der zweite SCR-Katalysator 60 in Unterbodenlage. Mit steigender Temperatur des zweiten SCR-Katalysators 60 in Unterbodenlage wird die Dosierung des Reduktionsmittels dieses Twin-Dosing-Konzeptes zunehmend auf das zweite Dosierventil 62 umgeschaltet. Die Dosierung in Unterbodenlage ist dahingehend vorteilhaft, da diese stromabwärts der Verzweigung 58 des Niederdruck-Abgasrückführungskanals 72 aus dem Abgaskanal 42 stattfindet. Zum einen ist die in Unterbodenlage notwendige Dosiermenge geringer, da der Massenstrom prozentual um den Teil des über die Niederdruck-Abgasrückführung 70 zurückgeführten Abgasstroms verringert ist, zum anderen wird kein Reduktionsmittel über die Niederdruck-Abgasrückführungsleitung 72 wieder in den Verbrennungsmotor 10 zurückgeführt. Darüber hinaus kann das zweite SCR-System 94 auch während einer Regeneration des Dieselpartikelfilters 54 aktiv Stickoxide reduzieren.
  • Das Konvertierungsverhalten und die maximal mögliche Konvertierungsrate ist abhängig von der Temperatur des SCR-Katalysators sowie der eingespeicherten NH3 Menge. Wie in 5 dargestellt, kann nur bei einer ausreichend hohen Temperatur eine maximale NOx-Konvertierung erreicht werden. Außerhalb eines optimalen Temperaturbetriebsfensters Topt nimmt die Konvertierung sowohl bei zu niedriger Temperatur als auch bei zu hoher Temperatur deutlich ab.
  • Ein weiterer Faktor, der die Konvertierung der SCR-Katalysatoren 56, 60 in den beiden SCR-Systemen 92, 94 beeinflusst, ist die im SCR-Katalysator 56, 60 gespeicherte Ammoniak (NH3-)-Speichermenge. Die Konvertierung nimmt über den kompletten Temperaturbereich zu, wenn ein höherer Füllstand auf den SCR-Katalysatoren sichergestellt werden kann. Die Konvertierung ist deutlich schlechter, wenn die Ammoniakspeicher weniger stark gefüllt sind und für die Reduktion der Stickoxide weniger Reduktionsmittel zur Verfügung steht. Der mögliche Ammoniak-Füllstand der SCR-Katalysatoren 56, 60 ist vom jeweiligen Katalysatorvolumen sowie wesentlich von der Temperatur abhängig. Bis zu einer Temperatur von ca. 250°C können hohe Mengen Ammoniak auf den SCR Katalysatoren 56, 60 gespeichert und für die Reduktion der NOx-Emission in Form eines Ammoniak-Füllstandes bereitgestellt werden. Mit steigender Temperatur nimmt die Speicherfähigkeit des SCR-Katalysators 56, 60 stark ab. Der mögliche Ammoniak-Füllstand mNH3 in Abhängigkeit von der Temperatur des SCR-Katalysators 56, 60 ist in 6 dargestellt. Dies gilt sowohl für den motornahen ersten SCR-Katalysator 56 als auch für den zweiten im Unterboden befindlichen SCR-Katalysator 60. Der zweite entscheidende Parameter für eine optimale NOx-Konvertierung ist die Temperatur des Abgases TEG und die sich hierdurch einstellende Bauteiltemperatur des SCR-Katalysators 56, 60.
  • Ein entscheidender Aspekt, der beim Betrieb eines Abgasnachbehandlungssystems sichergestellt werden muss, ist die Vermeidung von Ammoniak-Schlupf hinter dem in Strömungsrichtung durch den Abgaskanal 42 letzten SCR-Katalysator 60. Da mit steigender Temperatur das Einspeichervermögen von Ammoniak stark abnimmt, kann der SCR-Katalysator 56, 60 mit zunehmender Temperatur nicht mehr mit einer hohen Ammoniak Menge beladen werden. Die zusätzliche Gefahr von thermisch bedingtem Ammoniak-Schlupf über Temperaturspitzen aus einem dynamischen oder hochlastigen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors 10 machen es erforderlich, dass im dynamischen Betrieb ein ausreichend hoher Sicherheitsabstand zum maximalen Füllspeicherstand sichergestellt wird, damit dynamische Abgastemperaturspitzen keinen Ammoniak-Schlupf verursachen. Diese temperaturabhängige Speicherfähigkeit ist einer der Gründe, weswegen im dynamischen Betrieb das Abgasnachbehandlungssystem mit zunehmender Temperatur zunehmend mit geringeren Füllständen betrieben werden kann.
  • Im realen, dynamischen Fahrbetrieb stellt sich in den wenigsten Fällen ein optimales Temperaturniveau für beide SCR-Katalysatoren 56, 60 ein. Verfahrensbedingt stellt sich aufgrund der Wärmeverluste der Abgasanlage 40 ein stromabwärts verlaufendes Temperaturgefälle in der Abgasanlage 40 ein. Für das motornahe SCR-System 92 stellt sich im Fahrbetrieb hierbei ein höheres Temperaturniveau ein als für das zweite SCR-System 94 in Unterbodenlage. Bei hohen Fahrgeschwindigkeiten und entsprechend hohen Abgasmassenströmen und hoher SCR-Katalysatortemperatur nimmt das Einspeichervermögen von Ammoniak auf den SCR-Katalysatoren 56, 60 ab, so dass für die selektive Reduktion der Stickoxide nicht mehr das maximal zur Verfügung stehende Katalysatorvolumen bzw. die maximale Ammoniakspeicherfähigkeit des SCR-Katalysators 56, 60 genutzt werden kann. Bei Temperaturen >350°C nimmt zusätzlich die Konvertierungsleistung des SCR-Katalysators 56, 60 ab. Aufgrund der motornahen Anordnung des ersten SCR-Katalysators 56 ist dieser zu heiß für eine optimale Konvertierung.
  • Auch bei zu geringer Temperatur nimmt die Konvertierung stark ab. Dies ist einerseits bedingt durch die Kinetik der auf SCR-Katalysatoren 56, 60 ablaufenden Reaktionen und andererseits dadurch, dass die Gemischaufbereitung der dosierten Harnstoff-Wasserlösung und die folgende Hydro- und Thermolyse der Harnstoff-Wasserlösung zu Ammoniak mit abnehmender Temperatur zunehmend länger dauert. Aufgrund der motorfernen Einbauposition ist im Besonderen der zweite SCR-Katalysator 60 im realen Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeugs häufig zu kalt für eine optimale Konvertierung.
    Folgende Fälle ergeben sich im realen Fahrbetrieb, für die mittels Abgaswärmeübertragung (Exhaust-Aftertreatment-Heat-Transfer EAHT) der Temperaturgradient in der Abgasanlage 40 vergleichmäßigt werden kann:
  • Fall 1: Direkt nach Motorstart muss das motornahe erste SCR-System 92 möglichst schnell auf über Light-Off-Temperatur erwärmt werden. Hierbei kann mittels EAHT die Durchwärmung des motornahen Partikelfilter 54 des ersten SCR-Systems 92 beschleunigt und das aktive Katalysatorvolumen vergrößert werden. Dabei ist der motornahe Partikelfilter 54 als Partikelfilter 54 mit SCR-Beschichtung 56 ausgeführt.
  • Fall 2: In vielen Betriebspunkten ist es auf dem ersten motornahen SCR-Katalysator 56 zu heiß und auf dem zweiten SCR-Katalysator 60 zu kalt, um einen möglich optimalen NOx-Umsatz sicherstellen zu können. Grundgedanke des SCR-EAHT ist der Transfer von Wärme von dem ersten motornahen SCR-System 92 zu dem zu kalten zweiten SCR-System 94 in Unterbodenlage. Mittels des EAHT-Verfahrens kann die in der Abgasanlage 40 gespeicherte Wärmeenergie gleichmäßig auf beide SCR-Katalysatoren 56, 60 verteilt werden.
  • Fall 3: SCR-EAHT ermöglicht ebenfalls lediglich das Kühlen des ersten motornahen Partikelfilters 54 mit SCR-Beschichtung 56 ohne Beeinflussung des Wärmehaushaltes des zweiten SCR-Katalysators 60. Hierzu wird der Partikelfilter 54 über den in der Niederdruck-Abgasrückführung 70 integrierten Abgasrückführungskühler 76 gekühlt, ohne dass Abgas bzw. Schubluft durch den zweiten motorfernen SCR-Katalysator 60 strömt und diesen kühlt.
  • Fall 4: Bei sehr lang anhaltendem Hochlastbetrieb kann es vorkommen, dass die Temperatur auf beiden SCR-Bauteilen 56, 60 zu hoch ist. In diesem Fall kann mit EAHT die überschüssige Wärme aus beiden SCR-Katalysatoren 56, 60 ausgetragen und das Verfahren zum Kühlen der beiden SCR-Katalysatoren 56, 60 genutzt werden.
  • Im Normalbetrieb wird bei Dieselmotoren 10 in Schubphasen die Drosselklappe 32 geschlossen, um ein Auskühlen der Abgasanlage 40 zu verhindern. Die Erfindung sieht eine Anpassung der Applikation des Verbrennungsmotors 10 in den Schubphasen vor, um ein SCR-System 92, 94 über die Nutzung der Wärmekapazitäten möglichst effizient betreiben zu können, ohne dabei die Effizienz des Verbrennungsmotors 10 negativ zu beeinflussen.
  • In 1 ist ein erster Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 dargestellt, in welchem der motornahe Partikelfilter 54 mit der SCR-Beschichtung 56 in einer Schubphase des Kraftfahrzeugs beheizt wird. Direkt nach Motorstart des Verbrennungsmotors 10 oder in sehr langen Niedriglastphasen ist es primäre Aufgabe des Abgastemperaturmanagements, den motornahen SCR-Katalysator 56 auf seine Betriebstemperatur zu bringen. Damit die nach Motorstart oder in den Niedriglastphasen emittierten NOx-Emissionen konvertiert werden können, muss möglichst schnell sowohl die für die Dosierfreigabe notwendige Abgastemperatur erreicht werden und der Partikelfilter 54 muss auf ein Mindesttemperaturniveau aufgeheizt werden, damit auf der SCR-Beschichtung 56 des motornahen Partikelfilters 54 entsprechend NOx-Emissionen reduziert werden können.
  • Die Effektivität der NOx-Konvertierung ist hierbei von mehreren Faktoren abhängig: Zum ersten muss die Temperatur vor dem ersten SCR-Katalysator 56 entsprechend hoch sein, damit die dosierte Harnstoff-Wasserlösung verdampft und mittels Hydro- und Thermolyse als NH3 der Reduktionsreaktion zur Verfügung gestellt werden kann. Zweitens muss die Bauteiltemperatur des Partikelfilters 54 mit der SCR-Beschichtung 56 im vorderen angeströmten Bereich ausreichend hoch, oberhalb der Light-Off-Temperatur sein, damit die SCR-Beschichtung 56 des Partikelfilter 54 die Reduktionsreaktion katalytisch unterstützt. Drittens ist die Effizienz bzw. der Gesamtkonvertierungsgrad von dem zur Verfügung stehenden aktiven Gesamtkatalysatorvolumen abhängig. Aktiv ist hierbei jeweils nur der Bereich (das Volumen) des ersten SCR-Katalysators 56, welches entsprechend ausreichend heiß ist. Das SCR-Heizverfahren hat hierbei den Zweck, das an der Reduktionsreaktion teilhabende aktive Volumen des ersten SCR-Katalysators 56 zu vergrößern, indem dem motornahen ersten SCR-System 92 in den Schubphasen des Verbrennungsmotors 10 ein zusätzlicher Wärmestrom zur Verfügung gestellt wird, mittels dessen die SCR-Beschichtung 56 des Partikelfilters 54 schneller über das komplette Katalysatorvolumen erwärmt werden kann.
  • Hierzu wird in den Schubphasen des Verbrennungsmotors 10 die Niederdruck-Abgasrückführung 70 genutzt, um zusätzlich heiße Schubluft bzw. einen entsprechend hohen Wärmestrom durch den Partikelfilter 54 des motornahen ersten SCR-Systems 92 zu führen. Im Falle einer Motorschubphase wird hierzu das Niederdruck-Abgasrückführungsventil 74 geöffnet. Optional erfolgt zeitgleich die zusätzliche Ansteuerung eines Bypassventils für den Abgasrückführungskühler 76 in der Niederdruck-Abgasrückführung 70, um die Schubluft nicht zusätzlich zu kühlen sowie die Ansteuerung der Drosselklappe 32 des Luftversorgungssystems 20, um ein entsprechend hohes Spülgefälle einzustellen und die Schubluft im Kreis zu führen. Zusätzlich verstärkt werden kann der Effekt der Schubumluftheizung durch das zeitgleiche Schließen der Abgasklappe 66. Die Schubluft wird hierbei sowohl im Verbrennungsmotor 10 selber über die Kompression sowie die heißen Brennraumwände erwärmt und nimmt zusätzlich Wärme im heißen Krümmer sowie Turbolader 30 auf und stellt diesen Wärmestrom dem Partikelfilter 54 mit SCR-Beschichtung 56 in den Schubphasen zur Verfügung. Der Schubumluftmassenstrom und der sich hierdurch einstellende Wärmestrom kann mittels der Aktoren Abgasklappe 66, Niederdruck-Abgasrückführungsventil 74, Bypass des Abgasrückführungskühlers 76 sowie der Drosselklappe 32 geregelt werden.
    Der in den Schubphasen zusätzlich zur Verfügung gestellte Wärmestrom führt zu einer schnelleren Durchwärmung des SCR-Katalysatorvolumens. Das Verfahren Schubumluft wird abgebrochen, sobald der sich einstellende Wärmestrom keinen positiven Effekt mehr zur Durchwärmung des Katalysatorvolumens beiträgt.
  • Diese erste Betriebsart des Verbrennungsmotors 10 wird vorteilhafterweise eingesetzt, wenn sich sowohl der motornahe erste SCR-Katalysator 56 des motornahen SCR-Systems 92 im Temperaturbereich <200°C und der zweite SCR-Katalysator 60 des motorfernen SCR-Systems 94 im Temperaturbereich <200°C befindet. Dies ist vornehmlich nach Kaltstart der Fall, wenn es das Ziel der Betriebsstrategie ist, das motornahe SCR-System 92 möglichst schnell aufzuheizen und in Betriebsbereitschaft zu versetzen. Vorteilhafterweise werden hierzu die ersten 10 Minuten nach dem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 genutzt. Das motornahe erste SCR-System 92 und das zweite SCR-System 94 sind bei Kaltabfahrt beide nicht betriebsbereit. Insbesondere die schnell heiß werdenden Bauteile im Auslassbereich, Krümmer und Turbolader 30 und die in diesen gespeicherte Wärme kann hierbei genutzt werden, um mit dieser ersten Betriebsart das motornahe SCR-System 92 schneller oberhalb der Light-off-Temperatur zu erwärmen. Diese erste Betriebsart bleibt hierbei solange aktiv, bis das Dosierventil 52 für das motornahe SCR-System 92 eine Temperaturfreigabeschwelle überschritten hat. Diese soll vorteilhafterweise im Bereich um 180°C liegen.
  • In 2 ist ein zweiter Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 dargestellt. In diesem zweiten Betriebszustand wird die Wärme vom motornahen SCR-System 92 auf das zweite SCR-System 94 übertragen. Dies ist immer dann der Fall, wenn der motornahe SCR-Katalysator 56 für eine optimale Konvertierung zu heiß und der zweite SCR-Katalysator 60 für eine optimale Konvertierung zu kalt ist. Dazu wird die Drosselklappe 32 des Luftversorgungssystems 20 in Schubphasen nicht mehr vollständig geschlossen, sondern bleibt bzw. wird zu einem gewissen Grad geöffnet. Dies hat zur Folge, dass auch in Schubphasen ein großer und heißer Abgas- bzw. Luftmassenstrom vorhanden ist, der einem stromab im Unterboden des Fahrzeuges angeordneten zweite SCR Katalysator 60 zur Verfügung gestellt und genutzt werden kann. Die Luft wird nun nicht mehr durch die interne Verbrennung des Verbrennungsmotors 10 erwärmt. Aufgrund der großen Wärmekapazitäten des Verbrennungsmotors 10, der Brennraumwände und der Abgasanlage 40 bis zum motornahen SCR-Katalysator 56 wird die Schubluft erwärmt und auf einem ausreichend hohen Temperaturniveau gehalten. Durch den resultierenden Wärmestrom wird der zweite SCR-Katalysator 60 aufgeheizt und temperiert. Die Abgastemperatur bzw. der theoretisch nutzbare Abgaswärmestrom, der dem zweiten SCR-Katalysator 60 zur Verfügung gestellt wird, wird über die Klappenstellung der Drosselklappe 32 in dem Ansaugkanal 22 sowie das Ansteuertastverhältnis des Hochdruck-Abgasrückführungsventils 36 geregelt. Aus den Regelstellungen der Aktoren Drosselklappe 32 und Hochdruck-Abgasrückführungsventil 36 ergeben sich Abgasmassenstrom und Temperatur zum Aufwärmen, Heizen und Warmhalten des zweiten SCR-Katalysators 60. Über die Temperatursensoren 86, 88, 90 stromabwärts des Partikelfilters 54 mit SCR-Beschichtung 56 sowie über die Drosselklappe 32 und den über die Hochdruck-Abgasrückführung 34 zurückgeführten Abgasmassenstrom wird die Temperatur des Abgasmassenstromes in der Schubphase stromaufwärts des zweiten SCR-Systems 94 derart geregelt, dass die Temperatur stromauf des zweiten SCR-Systems 94 stets größer als die Bauteiltemperatur des zweiten SCR-Katalysatoren 60, 64 ist, so dass sich immer ein positives Temperaturgefälle für den notwendigen Wärmeübergang der stromauf befindlichen heißen Abgasanlagenbauteile auf die Katalysatoren 60, 64 des zweiten SCR-Systems 94 einstellt. Das Niederdruck-Abgasrückführventil 74 und der zugehörige Abgasrückführungskühler 76 sind in diesem zweiten Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 zum Aufheizen des zweiten SCR-Katalysators 60 in Unterbodenlage nicht aktiv.
  • Diese zweite Betriebsart wird vorteilhafterweise eingesetzt, wenn sich der motornahe erste SCR-Katalysator 56 des motornahen SCR-Systems 92 im Temperaturbereich >300°C und der zweite SCR-Katalysator 60 im Temperaturbereich <300°C befindet.
  • In 3 ist ein dritter Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 dargestellt. In diesem dritten Betriebszustand wird der motornahe erste SCR-Katalysator 56 gekühlt. Dabei wird der Abgasrückführungskühler 76 in der Niederdruck-Abgasrückführung 70 aktiviert, um während der Schubphase des Verbrennungsmotors 10 über den Abgasrückführungskühler 76 Wärme aus dem motornahen ersten SCR-System 92 über die Niederdruck-Abgasrückführung 70 an das Kühlsystem des Verbrennungsmotors 10 abzugeben. Die Niederdruck-Abgasrückführung 70 kann im Schubbetrieb genutzt werden, um lediglich den motornahen ersten SCR-Katalysator 56 zu durchströmen und zu kühlen, ohne die Temperatur und den Wärmeinhalt des zweiten SCR-Katalysators 60 zu beeinflussen. Hierzu wird die Abgasklappe 66 geschlossen und die Schubluft während einer Schubphase über die Niederdruck-Abgasrückführung 70 und den Ansaugkanal 22 sowie den Verbrennungsmotor 10 im Kreis gepumpt. Die Wärme wird hierbei von dem motornahen ersten SCR-Katalysator 56 aufgenommen und über den Abgasrückführungskühler 76 in der Niederdruck-Abgasrückführung 70 sowie den Ladeluftkühler 96 an den Motorkühlkreislauf abgegeben.
  • Dieser dritte Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 wird vorteilhafterweise eingesetzt, wenn sich sowohl der erste SCR-Katalysator 56 des motornahen SCR-Systems 92 im Temperaturbereich >350 °C und der zweite SCR-Katalysator 60 des motorfernen SCR-Systems 94 im Temperaturbereich >300°C befinden. Voraussetzung für diesen dritten Betriebszustand ist, dass der motornahe erste SCR-Katalysator 56 zu heiß und der zweite SCR- Katalysator 60 im optimalen Temperaturbereich arbeitet. Es ist lediglich die Kühlung des Partikelfilters 54 mit SCR-Beschichtung 56 erwünscht, ohne eine Beeinflussung des zweiten SCR-Katalysators 60. Eine Kühlung und Abgabe von überschüssiger Wärme aus dem Abgasstrang in das Kühlsystem des Verbrennungsmotor 10 ist nur sinnvoll, wenn alle Bauteile der Abgasanlage 40 ihren optimalen Betriebsbereich erreicht haben und eine weitere Temperaturzunahme zu einer Wirkungsgradverschlechterung des Gesamtsystems führt.
  • In 4 ist ein vierter Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Dabei liegt nach lang anhaltendem Volllastbetrieb oder unmittelbar nach einer erfolgten Regeneration des Partikelfilters 54 das Temperaturniveau beider SCR-Katalysatoren 56, 60 für einen optimalen Betrieb zu hoch. Zu hohe Temperaturen> 500°C führen zu einem schlechteren Konvertierungsverhalten; ab 700°C können zusätzlich Alterungseffekte auftreten. Mittels der Schubluft können beide SCR-Katalysatoren 56, 60 gekühlt werden. Hierzu werden beide Abgasrückführungsventile 36, 74 geschlossen, die Drosselklappe 32 in dem Luftversorgungssystem 20 des Verbrennungsmotors 10 geregelt geöffnet und die Abgasanlage 40 mit Schubluft gekühlt.
  • Dieser vierte Betriebszustand wird vorteilhafterweise eingesetzt, wenn sich sowohl der motornahe erste SCR-Katalysator 56 des motornahen SCR-Systems 92 im Temperaturbereich >350°C und der zweite SCR-Katalysator 60 des motorfernen SCR-Systems 94 ebenfalls im Temperaturbereich >350 °C befinden und eine zeitgleiche Kühlung beider Bauteile erforderlich ist. Hierbei wird im Schubbetrieb das Hochdruck-Abgasrückführungsventil 36 geschlossen. Der komplette Abgasmassenstrom des Verbrennungsmotors 10 wird somit über den ersten SCR-Katalysators 56 geleitet und kühlt diesen und den stromab angeordneten zweiten SCR-Katalysator 60. Zusätzlich kann über die Ansteuerung des Niederdruck-Abgasrückführungsventils 74 der Massenstrom und die damit verbundene Kühlleistung für beide SCR-Katalysatoren 56, 60 getrennt geregelt werden. Durch die Ansteuerung des Niederdruck-Abgasrückführungsventils 74 wird ein regelbarer Anteil des Gesamtmassenstromes stromauf des zweiten SCR-Katalysators 60 zurück zum Verbrennungsmotor 10 geführt. Durch die Niederdruck-Abgasrückführung 70 können somit für den ersten SCR-Katalysator 56 höhere Kühlleistungen realisiert werden. Die erforderlichen Kühlleistungen für beide SCR-Katalysatoren 56, 60 sind dadurch separat regelbar.
  • Unter realen Fahrbedingungen wird sich insbesondere bei höheren Motorlasten und Geschwindigkeiten auf dem motornahen SCR-System 92 ein deutlich höheres Temperaturniveau einstellen als auf dem motorfernen zweiten SCR-System 94. Ausschlaggebend hierfür sind 2 Gründe:
    1. 1. Prinzipbedingt ist das Temperaturniveau des Abgases aufgrund der Wärmeverluste in der Abgasanlage für motorfernere Bauteile deutlich geringer.
    2. 2. Zusätzlich ist der Wärmestrom, der sich aus dem Temperaturniveau und zusätzlich dem Abgasmassenstrom ergibt, für das motornahe erste SCR-System 92 deutlich größer. Das motornahe erste SCR-System 92 wird vom gesamten Abgasmassenstrom des Verbrennungsmotors 10 durchströmt. Der Wärmestrom für das zweite SCR-System 94 ist um den Anteil der Niederdruck-Abgasrückführung 70 geringer, da dieser Anteil des Massenstroms stromabwärts des ersten SCR-System 92 über die Niederdruck-Abgasrückführung 70 wieder dem Verbrennungsmotor 10 zugeführt wird und nicht durch die SCR-Katalysatoren 60, 64 des zweiten SCR-Systems 94 strömt.
  • Eine bestmögliche Konvertierung für das Gesamtsystem ergibt sich, wenn beide SCR Systeme 92, 94 mit optimaler Betriebstemperatur betrieben werden können.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Verbrennungsmotor
    12
    Brennraum
    14
    Kraftstoffinjektor
    16
    Einlass
    18
    Auslass
    20
    Luftversorgungssystem
    22
    Ansaugkanal
    24
    Luftfilter
    26
    Luftmassenmesser
    28
    Einmündung
    30
    Abgasturbolader
    32
    Drosselklappe
    34
    Hochdruck-Abgasrückführung
    36
    Hochdruck-Abgasrückführungsventil
    38
    Abgasrückführungsleitung
    40
    Abgasanlage
    42
    Abgaskanal
    44
    Turbine
    46
    erster Katalysator
    48
    Oxidationskatalysator
    50
    NOx-Speicherkatalysator
    52
    Dosierventil
    54
    Partikelfilter
    56
    SCR-Beschichtung / erster SCR-Katalysator
    58
    Verzweigung
    60
    zweiter SCR-Katalysator
    62
    zweites Dosierventil
    64
    Ammoniak-Sperrkatalysator
    66
    Abgasklappe
    68
    Steuergerät
    70
    Niederdruck-Abgasrückführung
    72
    Abgasrückführungskanal
    74
    Niederdruck-Abgasrückführungsventil
    76
    Abgasrückführungskühler
    78
    Filter
    80
    erster Temperatursensor
    82
    zweiter Temperatursensor
    84
    dritter Temperatursensor
    86
    vierter Temperatursensor
    88
    fünfter Temperatursensor
    90
    sechster Temperatursensor
    92
    motornahes SCR-System
    94
    Unterboden SCR-System
    96
    Ladeluftkühler
    98
    Verdichter

Claims (10)

  1. Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10), dessen Einlass (16) mit einem Luftversorgungssystem (20) und dessen Auslass (18) mit einer Abgasanlage (40) verbunden ist, wobei eine Hochdruck-Abgasrückführung vorgesehen ist, welche die Abgasanlage (40) stromaufwärts einer Turbine (44) eines Abgasturboladers mit dem Luftversorgungssystem (20) stromabwärts eines Verdichters (98) des Abgasturboladers (30) verbindet, wobei in der Abgasanlage (40) stromabwärts der Turbine (44) des Abgasturboladers (30) ein motornahes erstes SCR-System (92) und stromabwärts des motornahen ersten SCR-Systems (92) ein zweites SCR-System (94) angeordnet sind, wobei stromabwärts des ersten SCR-Systems (92) und stromaufwärts des zweiten SCR-Systems (94) eine Niederdruck-Abgasrückführung (70) aus einem Abgaskanal (42) der Abgasanlage (40) abzweigt, welche den Abgaskanal (42) mit einem Ansaugkanal (22) des Luftversorgungssystems (20) stromaufwärts des Verdichters (98) des Abgasturboladers (30) verbindet, umfassend folgende Schritte: - Heizen des ersten SCR-Systems (92) in einem ersten Betriebszustand des Verbrennungsmotors (10), wobei die Niederdruck-Abgasrückführung (70) geöffnet und ein Abgaskanal (42) der Abgasanlage stromabwärts der Verzweigung (58) für die Niederdruck-Abgasrückführung (70) durch eine Abgasklappe (66) zumindest teilweise versperrt ist, - Heizen des zweiten SCR-Systems (94) in einem zweiten Betriebszustand des Verbrennungsmotors (10) durch konvektive Wärmeübertragung vom ersten SCR-System (92) auf das zweite SCR-System (94), wobei die Niederdruck-Abgasrückführung (70) geschlossen und die Abgasklappe (66) geöffnet ist, - Kühlen des ersten SCR-Systems (92) in einem dritten Betriebszustand des Verbrennungsmotors (10), wobei die Niederdruck-Abgasrückführung (70) geöffnet und der Abgaskanal (42) zumindest teilweise durch die Abgasklappe (66) versperrt ist, wobei das zurückgeführte Abgas durch einen Abgasrückführungskühler (76) in der Niederdruck-Abgasrückführung (70) gekühlt wird, - Kühlen des ersten SCR-Systems (92) und des zweiten SCR-Systems (94) in einem vierten Betriebszustand des Verbrennungsmotors (10), wobei die Niederdruck-Abgasrückführung (70) und die Abgasklappe (66) geöffnet sind und ein über die Niederdruck-Abgasrückführung (70) zurückgeführter Abgasstrom durch einen Abgasrückführungskühler (76) in der Niederdruck-Abgasrückführung (70) gekühlt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgastemperatur (TEG) ermittelt und mit einer ersten Schwellentemperatur (TS1) verglichen wird, wobei bei einer Abgastemperatur (TEG) unterhalb der ersten Schwellentemperatur (TS1) das erste SCR-System beheizt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgastemperatur (TEG) ermittelt wird und mit einer ersten Schwellentemperatur (TS1) und einer zweiten Schwellentemperatur (TS2) verglichen wird, wobei bei einer Abgastemperatur (TEG), welche zwischen der ersten Schwellentemperatur (TS1) und der zweiten Schwellentemperatur (TS2) liegt, das zweite SCR-System (94) konvektiv durch die Abwärme des ersten SCR-Systems (92) beheizt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgastemperatur (TEG) ermittelt wird und mit einer zweiten Schwellentemperatur (TS2) und einer dritten Schwellentemperatur (TS3) verglichen wird, wobei bei einer Abgastemperatur (TEG), welche zwischen der zweiten Schwellentemperatur (TS2) und der dritten Schwellentemperatur (TS3) liegt, das erste SCR-System (92) durch den dritten Betriebszustand des Verbrennungsmotors (10) gekühlt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgastemperatur (TEG) ermittelt wird und mit einer dritten Schwellentemperatur (TS3) verglichen wird, wobei bei einer Abgastemperatur (TEG), welche oberhalb der dritten Schwellentemperatur (TS3) liegt, das erste SCR-System (92) und das zweiten SCR-System (94) durch den vierten Betriebszustand des Verbrennungsmotors (10) gekühlt werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (TSCR1) des ersten SCR-Systems (92) und die Temperatur (TSCR2) des zweiten SCR-Systems (94) ermittelt werden, wobei die Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen dem ersten SCR-System (92) und dem zweiten SCR-System (94) ermittelt wird und mit einem vierten Schwellenwert (ΔTS) verglichen wird, wobei bei einer Temperaturdifferenz (ΔT), welche größer als der vierte Schwellenwert (ΔTS) ist, die Wärme konvektiv vom ersten SCR-System (92) auf das zweite SCR-System (94) in dem zweiten Betriebszustand des Verbrennungsmotors (10) übertragen wird, um die Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen den beiden SCR-Systemen (92, 94) zu reduzieren.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umschalten zwischen den vier Betriebsmodi des Verbrennungsmotors (10) derart erfolgt, dass zumindest eines der SCR-Systeme (92, 94) eine Temperatur zwischen 200°C und 380°C, vorzugsweise zwischen 220°C und 350°C, aufweist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umschalten zwischen den vier Betriebsmodi des Verbrennungsmotors (10) derart erfolgt, dass beide SCR-Systeme (92, 94) eine Temperatur zwischen 200°C und 380°C, vorzugsweise zwischen 220°C und 350°C, aufweisen.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem vierten Betriebsmodus des Verbrennungsmotors (10) ein Hochdruck-Abgasrückführungsventil (36) geschlossen wird und der gesamte Abgasstrom über das erste SCR-System (92) geleitet wird, um eine Kühlung des ersten SCR-Systems (92) zu bewirken.
  10. Verbrennungsmotor (10) mit einem Luftversorgungssystem (20) und einer Abgasanlage (40), sowie mit einem Motorsteuergerät (68), welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Motorsteuergerät (68) ausgeführt wird.
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