DE102019206109A1 - Exhaust gas aftertreatment device with turbocharger between nitrogen oxide storage catalytic converter and particle filter - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung (2) für einen Verbrennungsmotor (1), welche einen Einlass umfasst, beschrieben, wobei stromabwärts des Einlasses ein Stickoxid-Speicherkatalysator (4) angeordnet ist, stromabwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators (4) ein Turbolader (3) angeordnet ist, stromabwärts des Turboladers (3) ein Partikelfilter (5) angeordnet ist, stromabwärts des Partikelfilters (5) ein SCR-Katalysator (6, 7) und stromabwärts des Partikelfilters (5) und stromaufwärts des SCR-Katalysators (6, 7) eine Vorrichtung zum Einspritzen von Harnstoff (14) angeordnet ist.An exhaust gas aftertreatment device (2) for an internal combustion engine (1) is described, which comprises an inlet, a nitrogen oxide storage catalyst (4) being arranged downstream of the inlet and a turbocharger (3) being arranged downstream of the nitrogen oxide storage catalyst (4) , a particulate filter (5) is arranged downstream of the turbocharger (3), an SCR catalytic converter (6, 7) downstream of the particulate filter (5) and a device downstream of the particulate filter (5) and upstream of the SCR catalytic converter (6, 7) is arranged for injecting urea (14).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung, eine Verbrennungsmotoranordnung, ein Kraftfahrzeug, ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung und ein Computerprogram m produkt.The present invention relates to an exhaust gas aftertreatment device, an internal combustion engine arrangement, a motor vehicle, a method for operating an exhaust gas aftertreatment device and a computer program m product.
Im Zusammenhang mit Kraftfahrzeugen, welche durch Verbrennungsmotoren angetrieben werden, ist die Abgasnachbehandlung von wesentlicher Bedeutung. Insbesondere die steigenden Emissionsanforderungen erfordern eine ständige Verbesserung der Qualität der Abgasnachbehandlung. Dabei stellt insbesondere die Abgasnachbehandlung während der Kaltstartphasen eine Herausforderung dar, da bei einem Kaltstart zahlreiche Katalysatoren üblicherweise noch nicht ihre Betriebstemperatur erreicht haben. Dies betrifft insbesondere die typischerweise verwendeten Dieseloxidationskatalysatoren (DOC) und Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-Katalysatoren). Ein optimaler Betrieb der Abgasnachbehandlungskomponenten ist in der Regel nur innerhalb eines engen Temperaturbereichs möglich. Es ist insgesamt erstrebenswert schädliche Emissionen, wie insbesondere die Emission von Stickoxiden (NOx), Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoff (HC), weiter zu senken.In connection with motor vehicles that are driven by internal combustion engines, exhaust gas aftertreatment is of essential importance. In particular, the increasing emission requirements require constant improvement in the quality of exhaust gas aftertreatment. Exhaust gas aftertreatment during the cold start phase is a particular challenge, since many catalytic converters usually have not yet reached their operating temperature during a cold start. This applies in particular to the typically used diesel oxidation catalytic converters (DOC) and catalytic converters for selective catalytic reduction (SCR catalytic converters). As a rule, optimal operation of the exhaust gas aftertreatment components is only possible within a narrow temperature range. Overall, it is desirable to further reduce harmful emissions, such as in particular the emission of nitrogen oxides (NOx), carbon monoxide (CO) and hydrocarbons (HC).
In den Dokumenten
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine weiter verbesserte Abgasnachbehandlungsvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Abgasnachbehandlungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, wobei insbesondere die Abgasnachbehandlung unter Kaltstartbedingungen verbessert wird. Weitere Aufgaben bestehen darin, ein vorteilhaftes Computerprogrammprodukt, eine vorteilhafte Verbrennungsmotoranordnung und ein Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen.Against this background, the object of the present invention is to provide a further improved exhaust gas aftertreatment device and a method for operating such an exhaust gas aftertreatment device, wherein in particular the exhaust gas aftertreatment is improved under cold start conditions. Further tasks are to provide an advantageous computer program product, an advantageous internal combustion engine arrangement and a motor vehicle.
Diese Aufgaben werden durch eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß Patentanspruch 1, eine Verbrennungsmotoranordnung gemäß Patentanspruch 6, ein Kraftfahrzeug gemäß Patentanspruch 8, ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 9 und ein Computerprogrammprodukt gemäß Patentanspruch 11 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung.These objects are achieved by an exhaust gas aftertreatment device for an internal combustion engine according to
Die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor umfasst einen Einlass. Stromabwärts des Einlasses ist ein Stickoxid-Speicherkatalysator angeordnet. Stromabwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators ist ein Turbolader angeordnet. Stromabwärts des Turboladers ist ein Partikelfilter, zum Beispiel ein katalytisch beschichteter Partikelfilter, angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters ist ein SCR-Katalysator angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters und stromaufwärts des SCR-Katalysators ist eine Vorrichtung zum Einspritzen von Harnstoff angeordnet ist.The exhaust gas aftertreatment device according to the invention for an internal combustion engine comprises an inlet. A nitrogen oxide storage catalytic converter is arranged downstream of the inlet. A turbocharger is arranged downstream of the nitrogen oxide storage catalytic converter. A particle filter, for example a catalytically coated particle filter, is arranged downstream of the turbocharger. An SCR catalytic converter is arranged downstream of the particle filter. A device for injecting urea is arranged downstream of the particulate filter and upstream of the SCR catalytic converter.
Durch die Anordnung eines Stickoxid-Speicherkatalysators stromaufwärts des Turboladers wird die Entfernung von gesundheits- und umweltschädlichen Emissionen aus dem Abgas insgesamt und insbesondere unter Kaltstartbedingungen verbessert. Zudem wird durch die hohen Temperaturen des Abgases stromaufwärts des Turboladers und den hohen Druck die Menge an Stickoxid, welches in dem Katalysator gespeichert wird, erhöht. Durch die Anordnung des Partikelfilters und des SCR-Katalysators unmittelbar stromabwärts des Turboladers erreicht der SCR-Katalysator schnell seine Betriebstemperatur, was insbesondere unter Kaltstartbedingungen von Vorteil ist. Die Vorschaltung des Partikelfilters verhindert eine Ablagerung von Ruß und Feinstaub in den nachfolgenden Abgasnachbehandlungskomponenten. By arranging a nitrogen oxide storage catalytic converter upstream of the turbocharger, the removal of emissions that are harmful to health and the environment from the exhaust gas is improved overall and in particular under cold start conditions. In addition, the high temperatures of the exhaust gas upstream of the turbocharger and the high pressure increase the amount of nitrogen oxide which is stored in the catalytic converter. Due to the arrangement of the particle filter and the SCR catalytic converter directly downstream of the turbocharger, the SCR catalytic converter quickly reaches its operating temperature, which is particularly advantageous under cold start conditions. The upstream connection of the particle filter prevents soot and fine dust from being deposited in the downstream exhaust gas aftertreatment components.
Insgesamt wird durch die vorliegende Erfindung einerseits ein weiter Abgastemperaturbereich mit einer optimalen Abgasnachbehandlung, beispielsweise auch unter Kaltstartbedingungen, abgedeckt. Gleichzeitig kann der Stickoxid-Speicherkatalysator regelmäßig unter optimalen Bedingungen regeneriert werden.Overall, the present invention on the one hand covers a wide exhaust gas temperature range with optimal exhaust gas aftertreatment, for example also under cold start conditions. At the same time, the nitrogen oxide storage catalytic converter can be regenerated regularly under optimal conditions.
Vorzugsweise sind stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators ein erster Lambda-Sensor bzw. eine Lambda-Sonde und/oder ein erster Temperatursensor angeordnet. Stromabwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators kann ein zweiter Lambda-Sensor bzw. eine Lambda-Sonde angeordnet sein. Ein zweiter Temperatursensor kann stromabwärts des Partikelfilters, insbesondere stromaufwärts des SCR-Katalysators, angeordnet sein. Die genannten Sensoren sind vorzugsweise mit einer Steuereinrichtung, beispielsweise einer elektronischen Steuereinheit (ECU), verbunden und ermöglichen eine Steuerung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung bzw. der einzelnen Abgasnachbehandlungskomponenten in Abhängigkeit von der Temperatur und/oder der Zusammensetzung des Abgases. Die Vorrichtung zum Einspritzen von Harnstoff kann ebenfalls mit der Steuereinrichtung verbunden sein.A first lambda sensor or a lambda probe and / or a first temperature sensor are preferably arranged upstream of the nitrogen oxide storage catalytic converter. A second lambda sensor or a lambda probe can be arranged downstream of the nitrogen oxide storage catalytic converter. A second temperature sensor can be arranged downstream of the particle filter, in particular upstream of the SCR catalytic converter. Said sensors are preferably connected to a control device, for example an electronic control unit (ECU), and enable the exhaust gas aftertreatment device or the individual exhaust gas aftertreatment components to be controlled depending on the temperature and / or the composition of the exhaust gas. The device for injecting urea can also be connected to the control device.
In einer vorteilhaften Variante ist die Abgasnachbehandlungsvorrichtung so ausgestaltet, dass der Einlass einen Abgaskrümmer umfasst und der Stickoxid-Speicherkatalysator in den Abgaskrümmer integriert ist. Dies ist einerseits unter Bauraumgesichtspunkten vorteilhaft, andererseits kann durch die hohe Abgastemperatur und den hohen Druck des Abgases die NOx-Speichermenge in des Stickoxid-Speicherkatalysators erhöht werden. Der Partikelfilter kann zum Beispiel unmittelbar stromabwärts des Turboladers angeordnet sein.In an advantageous variant, the exhaust gas aftertreatment device is designed in such a way that the inlet comprises an exhaust manifold and the nitrogen oxide storage catalytic converter is integrated into the exhaust manifold. This is the one below On the other hand, the high exhaust gas temperature and the high pressure of the exhaust gas can increase the NOx storage amount in the nitrogen oxide storage catalytic converter. The particle filter can be arranged, for example, directly downstream of the turbocharger.
Der Partikelfilter und/oder der SCR-Katalysator kann von dem Stickoxid-Speicherkatalysator entfernt stromabwärts angeordnet sein, zum Beispiel im Unterbodenbereich eines Kraftfahrzeugs. Durch diese Anordnung ergeben sich Bereiche mit unterschiedlichen Betriebstemperaturen für die einzelnen Abgasnachbehandlungskomponenten und die Stickoxid-Umwandlung wird verbessert.The particle filter and / or the SCR catalytic converter can be arranged downstream of the nitrogen oxide storage catalytic converter, for example in the underbody area of a motor vehicle. This arrangement results in areas with different operating temperatures for the individual exhaust gas aftertreatment components and the nitrogen oxide conversion is improved.
Die erfindungsgemäße Verbrennungsmotoranordnung umfasst einen Verbrennungsmotor und eine stromabwärts des Verbrennungsmotors angeordnete erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung. Sie hat die bereits genannten Vorteile. In einer vorteilhaften Variante sind der Partikelfilter und/oder der SCR-Katalysator unterhalb des Verbrennungsmotors und/oder unterhalb des Turboladers und/oder unterhalb des Stickoxid-Speicherkatalysators angeordnet, also zum Beispiel im Unterbodenbereich. Bei dieser Anordnung können der Partikelfilter und/oder der SCR-Katalysator unter hoher Last mit niedrigeren Betriebstemperaturen und damit einer verbesserten Stickoxidumwandlung betrieben werden. Zudem wird eine optimale Betriebstemperatur ermöglicht und die Stickstoffdioxid(NO2)-Produktion gesteigert, wodurch die Rußpartikelverbrennung in dem Partikelfilter verbessert wird. Weiterhin ist eine Anordnung im Unterbodenbereich im Hinblick auf eine optimale Nutzung des Bauraumes von Vorteil. Durch die beschriebene Anordnung im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden darüber hinaus die Emission von Kohlenmonoxid und die Emission von nicht verbrannten Kohlenwasserstoffen in dem zweiten Stickoxid-Speicherkatalysator verringert.The internal combustion engine arrangement according to the invention comprises an internal combustion engine and an exhaust gas aftertreatment device according to the invention arranged downstream of the internal combustion engine. It has the advantages already mentioned. In an advantageous variant, the particle filter and / or the SCR catalyst are arranged below the internal combustion engine and / or below the turbocharger and / or below the nitrogen oxide storage catalyst, that is, for example, in the underbody area. With this arrangement, the particle filter and / or the SCR catalytic converter can be operated under high load at lower operating temperatures and thus with improved nitrogen oxide conversion. In addition, an optimal operating temperature is made possible and nitrogen dioxide (NO2) production is increased, which improves the soot particle combustion in the particle filter. Furthermore, an arrangement in the underbody area is advantageous with regard to an optimal use of the installation space. The arrangement described within the scope of the present invention also reduces the emission of carbon monoxide and the emission of unburned hydrocarbons in the second nitrogen oxide storage catalytic converter.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst eine zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verbrennungsmotoranordnung. Die erfindungsgemäße Verbrennungsmotoranordnung und das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug haben die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung bereits genannten Vorteile. Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug kann es sich um einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen, ein Motorrad, ein Moped, einen Bus oder einen Kleinbus handeln.The motor vehicle according to the invention comprises a previously described internal combustion engine arrangement according to the invention. The internal combustion engine arrangement according to the invention and the motor vehicle according to the invention have the advantages already mentioned in connection with the exhaust gas aftertreatment device according to the invention. The motor vehicle according to the invention can be a passenger car, a truck, a motorcycle, a moped, a bus or a minibus.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor bezieht sich auf eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung, welche einen Einlass umfasst. The method according to the invention for operating an exhaust gas aftertreatment device for an internal combustion engine relates to an exhaust gas aftertreatment device which comprises an inlet.
Dabei ist stromabwärts des Einlasses ein Stickoxid-Speicherkatalysator angeordnet. Stromabwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators ist ein Turbolader angeordnet. Stromabwärts des Turboladers ist ein Partikelfilter, beispielsweise ein katalytisch beschichteter Partikelfilter, angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters ist ein SCR-Katalysator angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters und stromaufwärts des SCR-Katalysator ist eine Vorrichtung zum Einspritzen von Harnstoff, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung, angeordnet.A nitrogen oxide storage catalytic converter is arranged downstream of the inlet. A turbocharger is arranged downstream of the nitrogen oxide storage catalytic converter. A particle filter, for example a catalytically coated particle filter, is arranged downstream of the turbocharger. An SCR catalytic converter is arranged downstream of the particle filter. A device for injecting urea, in particular an aqueous urea solution, is arranged downstream of the particle filter and upstream of the SCR catalytic converter.
Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Eine erste Temperatur des Abgases stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators wird bestimmt, zum Beispiel gemessen. Eine zweite Temperatur des Abgases stromabwärts des Partikelfilters wird bestimmt, zum Beispiel gemessen. Falls die zweite Temperatur höher ist als ein zweiter Temperaturschwellenwert, wird Harnstoff, vorzugsweise in Form einer wässrigen Harnstofflösung, stromaufwärts des SCR-Katalysators eingespritzt. Falls die erste Temperatur höher ist als ein erster Temperaturschwellenwert, wird der Stickoxid-Speicherkatalysator regeneriert.The method comprises the following steps: A first temperature of the exhaust gas upstream of the nitrogen oxide storage catalytic converter is determined, for example measured. A second temperature of the exhaust gas downstream of the particulate filter is determined, for example measured. If the second temperature is higher than a second temperature threshold value, urea, preferably in the form of an aqueous urea solution, is injected upstream of the SCR catalytic converter. If the first temperature is higher than a first temperature threshold value, the nitrogen oxide storage catalytic converter is regenerated.
In einer bevorzugten Variante beträgt der erste Temperaturschwellenwert mindestens 200 Grad Celsius (200°C) und/oder der zweite Temperaturschwellenwert mindestens 180 Grad Celsius (180°C). Diese Schwellenwerte gewährleisten eine optimale Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators und gleichzeitig einen optimalen Betrieb des SCR-Katalysators.In a preferred variant, the first temperature threshold value is at least 200 degrees Celsius (200 ° C.) and / or the second temperature threshold value is at least 180 degrees Celsius (180 ° C.). These threshold values ensure optimal regeneration of the nitrogen oxide storage catalytic converter and, at the same time, optimal operation of the SCR catalytic converter.
Die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung kann beispielsweise eine Steuervorrichtung umfassen, welche dazu ausgelegt ist, ein zuvor beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Das erfindungsgemäße Verfahren hat die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung beschriebenen Vorteile.The exhaust gas aftertreatment device according to the invention can comprise, for example, a control device which is designed to carry out a method according to the invention as described above. The method according to the invention has the advantages described in connection with the exhaust gas aftertreatment device according to the invention.
Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt umfasst Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, ein zuvor beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen. Es eignet sich insbesondere zur Nachrüstung bestehender entsprechend aufgebauter Abgasnachbehandlungssysteme.The computer program product according to the invention comprises commands which, when the program is executed by a computer, cause the computer to execute a previously described method according to the invention. It is particularly suitable for retrofitting existing exhaust gas aftertreatment systems designed accordingly.
Die Figuren zeigen:
-
1 zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor mit einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung. -
2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren in Form eines Flussdiagramms. -
3 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug.
-
1 shows schematically an internal combustion engine with an exhaust gas aftertreatment device according to the invention. -
2 shows schematically a method according to the invention in the form of a flow chart. -
3 shows schematically a motor vehicle according to the invention.
In der
Die erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung
Stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators
Die Lambda-Sensoren
Im Rahmen des in der
In Schritt
Das in der
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- VerbrennungsmotorInternal combustion engine
- 22
- AbgasnachbehandlungsvorrichtungExhaust aftertreatment device
- 33
- Turboladerturbocharger
- 44th
- Stickoxid-SpeicherkatalysatorNitrogen oxide storage catalytic converter
- 55
- PartikelfilterParticle filter
- 66th
- SCR-KatalysatorSCR catalytic converter
- 77th
- AbgasnachbehandlungseinrichtungExhaust aftertreatment device
- 99
- erster Temperatursensorfirst temperature sensor
- 1010
- erster Lambda-Sensorfirst lambda sensor
- 1111
- zweiter Temperatursensorsecond temperature sensor
- 1212
- zweiter Lambda-Sensorsecond lambda sensor
- 1313th
- SteuereinrichtungControl device
- 1414th
- Vorrichtung zum Einspritzen von HarnstoffDevice for injecting urea
- 1515th
- Bestimmen einer ersten Temperatur des Abgases stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators und einer zweiten Temperatur des Abgases stromabwärts des PartikelfiltersDetermining a first temperature of the exhaust gas upstream of the nitrogen oxide storage catalytic converter and a second temperature of the exhaust gas downstream of the particulate filter
- 1616
- Ist die zweite Temperatur höher ist als ein zweiter Temperaturschwellenwert?Is the second temperature higher than a second temperature threshold?
- 1717th
- Einspritzen von Harnstoff stromaufwärts des SCR-KatalysatorsInjecting urea upstream of the SCR catalyst
- 1818th
- Ist die erste Temperatur höher ist als ein erster Temperaturschwellenwert?Is the first temperature higher than a first temperature threshold?
- 1919th
- Regenerieren des Stickoxid-SpeicherkatalysatorsRegeneration of the nitrogen oxide storage catalytic converter
- 2020th
- KraftfahrzeugMotor vehicle
- JJ
- JaYes
- NN
- NeinNo
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- US 8250866 B2 [0003]US 8250866 B2 [0003]
- US 9003781 [0003]US 9003781 [0003]
- DE 102014213070 A1 [0003]DE 102014213070 A1 [0003]
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2019
- 2019-04-29 DE DE102019206109.5A patent/DE102019206109A1/en active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115111035A (en) * | 2022-05-09 | 2022-09-27 | 潍柴动力股份有限公司 | Control method and control device of thermal management system of two-stage nitrogen oxide converter |
| CN115111035B (en) * | 2022-05-09 | 2023-11-17 | 潍柴动力股份有限公司 | Control method and control device of thermal management system of two-stage nitrogen oxide converter |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| R082 | Change of representative |
Representative=s name: MARKOWITZ, MARKUS, DR.-ING., DE |