DE102020116160B3 - Process for exhaust aftertreatment of an internal combustion engine and exhaust aftertreatment system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) mit einer Abgasanlage (40), in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors (10) durch einen Abgaskanal (42) der Abgasanlage (40) eine Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden und stromabwärts dieser Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) ein Sperrkatalysator (58) angeordnet ist. Von dem Abgaskanal (42) zweigt stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) an einer Verzweigung (76) ein Bypass (62) ab, welcher stromabwärts der Verzweigung (76) und stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) an einer Einmündung (92) wieder in den Abgaskanal (42) mündet. In dem Bypass (62) ist ein passiver NOx-Adsorber (88) angeordnet. Am Abgaskanal (42) ist ein Stellelement (78) vorgesehen, mit welchem der Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10) wahlweise durch einen Hauptkanal (94) des Abgaskanals (42) oder durch den Bypass (62) geleitet werden kann. Dabei wird der passive NOx-Adsorber in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors (10) mit Stickoxiden beladen und bei einsatzbereites Abgasnachbehandlungskomponente (52, 54, 56) wieder regeneriert.The invention relates to a method and a system for exhaust gas aftertreatment of an internal combustion engine (10) with an exhaust system (40), in which an exhaust gas aftertreatment component (52, 54) through an exhaust duct (42) of the exhaust system (40) in the flow direction of an exhaust gas stream of the internal combustion engine (10) , 56) for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides and downstream of this exhaust gas aftertreatment component (52, 54, 56) a blocking catalytic converter (58) is arranged. A bypass (62) branches off from the exhaust gas duct (42) upstream of the exhaust gas aftertreatment component (52, 54, 56) at a junction (76) which, downstream of the junction (76) and upstream of the exhaust gas aftertreatment component (52, 54, 56) at a The confluence (92) opens again into the exhaust gas duct (42). A passive NOx adsorber (88) is arranged in the bypass (62). An adjusting element (78) is provided on the exhaust gas duct (42), with which the exhaust gas flow from the internal combustion engine (10) can be routed either through a main duct (94) of the exhaust gas duct (42) or through the bypass (62). The passive NOx adsorber is loaded with nitrogen oxides in a cold start phase of the internal combustion engine (10) and regenerated again when the exhaust gas aftertreatment component (52, 54, 56) is ready for use.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, sowie ein Abgasnachbehandlungssystem zur Durchführung eines solchen Verfahrens gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to a method for exhaust gas aftertreatment of an internal combustion engine, in particular a diesel engine, as well as an exhaust gas aftertreatment system for carrying out such a method according to the preamble of the independent claims.
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, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren aufweisen. Als Reduktionsmittel wird dabei bevorzugt Ammoniak verwendet. Weil der Umgang mit reinem Ammoniak aufwendig ist, wird bei Fahrzeugen üblicherweise eine synthetische, wässrige Harnstofflösung verwendet, die in einer dem SCR-Katalysator vorgeschalteten Mischeinrichtung mit dem heißen Abgasstrom vermischt wird. Durch diese Vermischung wird die wässrige Harnstofflösung erhitzt, wobei die wässrige Harnstofflösung Ammoniak im Abgaskanal freisetzt. Eine handelsübliche, wässrige Harnstofflösung setzt sich im Allgemeinen aus 32,5 % Harnstoff und 67,5 % Wasser zusammen.The current exhaust gas legislation, and one that will become increasingly strict in the future, place high demands on the engine-related raw emissions and the exhaust gas aftertreatment of internal combustion engines. The demands for a further decrease in consumption and the further tightening of the exhaust gas standards with regard to the permissible nitrogen oxide emissions represent a challenge for the engine developers. Upstream and downstream catalytic converters. Exhaust gas aftertreatment systems are currently used in diesel engines which have an oxidation catalytic converter, a catalytic converter for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides (SCR catalytic converter) and a particle filter for separating out soot particles and possibly other catalytic converters. Ammonia is preferably used as the reducing agent. Because dealing with pure ammonia is complex, a synthetic, aqueous urea solution is usually used in vehicles, which is mixed with the hot exhaust gas flow in a mixing device upstream of the SCR catalytic converter. As a result of this mixing, the aqueous urea solution is heated, the aqueous urea solution releasing ammonia in the exhaust gas duct. A commercially available, aqueous urea solution generally consists of 32.5% urea and 67.5% water.
Jede Vorrichtung zur katalytischen Abgasreinigung benötigt zum Erreichen einer Wirksamkeit das Überschreiten einer Mindesttemperatur, der sogenannten Light-off-Temperatur. Bei einem Kaltstart eines Kraftfahrzeugs liegen der Verbrennungsmotor und die Komponenten zur Abgasnachbehandlung im Temperaturniveau etwa auf Umgebungstemperatur. Auch mit einem hohen Energieeintrag in die Abgasanlage müssen zunächst die thermisch träge Masse der Abgasanlage überwunden und die Strahlungs- beziehungsweise Konvektionsverluste kompensiert werden, um zumindest eine Teilwirksamkeit der Abgasnachbehandlungskomponenten zu erreichen. In dieser Zeit werden die Rohemissionen des Verbrennungsmotors weitgehend ungereinigt emittiert. Abhängig vom Energieeintrag in die Abgasanlage kann dieser Zeitraum verkürzt werden, jedoch niemals auf Null abgesenkt werden.Every device for catalytic exhaust gas cleaning requires that a minimum temperature, the so-called light-off temperature, be exceeded in order to be effective. During a cold start of a motor vehicle, the internal combustion engine and the components for exhaust gas aftertreatment have a temperature level approximately at ambient temperature. Even with a high energy input into the exhaust system, the thermally inert mass of the exhaust system must first be overcome and the radiation or convection losses compensated in order to achieve at least a partial effectiveness of the exhaust gas aftertreatment components. During this time, the raw emissions of the internal combustion engine are emitted largely uncleaned. Depending on the energy input into the exhaust system, this period can be shortened, but never reduced to zero.
Beim Dieselmotor ist bekannt, einem SCR-Abgasreinigungssystem einen NOx-Speicherkatalysator vorzuschalten, der bereits im Bereich 120 - 200°C eine gute Konvertierungsleistung erbringt, während der SCR-Katalysator erst ab ca. 180°C eine Konvertierung von Stickoxid-Emissionen ermöglicht. Die Abgasnachbehandlungskomponenten können einzeln oder insgesamt während ihrer Aufheizphase, insbesondere bis zur jeweiligen Light-off-Temperatur durch elektrische Heizelemente oder thermische Abgasbrenner unterstützt werden.In diesel engines, it is known to connect a NOx storage catalytic converter upstream of an SCR exhaust gas purification system, which already provides good conversion performance in the 120-200 ° C range, while the SCR catalytic converter only enables nitrogen oxide emissions to be converted from around 180 ° C. The exhaust gas aftertreatment components can be supported individually or as a whole during their heating phase, in particular up to the respective light-off temperature, by electrical heating elements or thermal exhaust gas burners.
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Ferner ist aus dem Stand der Technik bekannt, eine oder mehrere Abgasnachbehandlungskomponenten stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers anzuordnen, um die vor der Turbine höhere Abgastemperatur für ein schnelleres Aufheizen auf die Light-Off-Temperatur dieser Abgasnachbehandlungskomponente zu nutzen. Ebenso bekannt sind Isolierungen zur Verminderung der Wärmeverluste an den Wänden der Abgasanlage. Alle diese Vorrichtungen benötigen einen gewissen Zeitraum bis zur Aktivierung. In diesem Zeitraum kann eine besonders schadstoffreiche Fahrweise bereits zu einem Überschreiten der zulässigen Emissionsgrenzwerte einer RDE-Fahrt (Real Driving Emissions) führen, sodass selbst bei einer anschließend 100 %-Konvertierungsrate der Gesamtfahrzyklus als „nicht bestanden“ gewertet werden müsste. Besonders kritisch sind hier die NOx-Emissionen zu bewerten, die mit steigender Fahrdynamik überproportional zunehmen.It is also known from the prior art to arrange one or more exhaust gas aftertreatment components upstream of a turbine of an exhaust gas turbocharger in order to use the higher exhaust gas temperature upstream of the turbine for faster heating to the light-off temperature of this exhaust gas aftertreatment component. Insulations for reducing heat losses on the walls of the exhaust system are also known. All of these devices take some time to activate. During this period, a particularly high-pollutant driving style can already lead to the permissible emission limit values for an RDE trip (Real Driving Emissions) being exceeded, so that even with a subsequent 100% conversion rate, the entire driving cycle would have to be rated as "failed". The NOx emissions, which increase disproportionately with increasing driving dynamics, are particularly critical here.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Abgasanlage des Verbrennungsmotors derart weiterzuentwickeln, dass eine verbesserte Abgasnachbehandlung möglich ist und insbesondere die Stickoxid-Emissionen nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors verringert werden können.The invention is now based on the object of further developing the exhaust system of the internal combustion engine in such a way that improved exhaust gas aftertreatment is possible and, in particular, the nitrogen oxide emissions can be reduced after a cold start of the internal combustion engine.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einer Abgasanlage in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors durch einen Abgaskanal der Abgasanlage eine Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden und stromabwärts dieser Abgasnachbehandlungskomponente ein Sperrkatalysator angeordnet ist, gelöst. Von dem Abgaskanal zweigt stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente an einer Verzweigung ein Bypass ab, welcher stromabwärts der Verzweigung und stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente an einer Einmündung wieder in den Abgaskanal mündet. In dem Bypass ist ein passiver NOx-Adsorber angeordnet. Am Abgaskanal ist ein Stellelement vorgesehen, mit welchem der Abgasstrom des Verbrennungsmotors wahlweise durch einen Hauptkanal des Abgaskanals oder durch den Bypass geleitet werden kann. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- - Starten des Verbrennungsmotors, wobei der gesamte Abgasstrom des Verbrennungsmotors durch den Bypass geleitet wird und die Stickoxide im passiven NOx-Adsorber eingespeichert werden,
- - Ermitteln einer Abgastemperatur oder eines Füllstands des passiven NOx-Adsorbers, wobei bei Überschreiten eines ersten Schwellenwertes für die Abgastemperatur oder eines Schwellenwertes des Füllstands der Abgasstrom des Verbrennungsmotors durch den Hauptkanal geleitet wird, und
- - Regenerieren des passiven NOx-Adsorbers, indem der Abgasstrom des Verbrennungsmotors zumindest anteilig durch den Bypass geleitet wird, wenn die Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen Reduktion ihre Betriebstemperatur erreicht hat und die Abgastemperatur einen zweiten Schwellenwert erreicht hat.
- - Starting the internal combustion engine, whereby the entire exhaust gas flow of the internal combustion engine is passed through the bypass and the nitrogen oxides are stored in the passive NOx adsorber,
- - Determining an exhaust gas temperature or a fill level of the passive NOx adsorber, the exhaust gas flow of the internal combustion engine being passed through the main duct when a first threshold value for the exhaust gas temperature or a threshold value for the fill level is exceeded, and
- - Regeneration of the passive NOx adsorber by the exhaust gas flow of the internal combustion engine at least partially through the bypass is routed when the exhaust gas aftertreatment component for selective catalytic reduction has reached its operating temperature and the exhaust gas temperature has reached a second threshold value.
Dabei kann die Aufteilung des Abgasstroms zwischen dem Bypass und dem Hauptkanal durch das Stellelement auch anteilig erfolgen. Der Anteil des Abgasstroms über den NOx-Adsorber richtet sich dabei nach der Differenz aus dem möglichen NOx-Umsatz des nachgeschalteten SCR-Systems und des aktuellen Roh-NOx-Niveaus.The distribution of the exhaust gas flow between the bypass and the main channel can also be done proportionally by the adjusting element. The proportion of the exhaust gas flow through the NOx adsorber depends on the difference between the possible NOx conversion of the downstream SCR system and the current raw NOx level.
Durch ein solches Verfahren können die Stickoxidemissionen in der Kaltstartphase gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen verringert werden. Dabei werden die Stickoxidemissionen in einer ersten Phase nach dem Kaltstart des Verbrennungsmotors in dem passiven NOx-Adsorber eingelagert. Der passive NOx-Adsorber speichert Stickoxide in einem Temperaturbereich von 80°C bis etwa 200°C ein und setzt sie oberhalb dieser Temperatur wieder frei. Somit können die in der Kaltstartphase entstehenden Stickoxide zwischengespeichert werden, bis der SCR-Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat und eine Konvertierung von Stickoxiden durch eine selektive, katalytische Reduktion ermöglicht. Unter einer Betriebstemperatur des SCR-Katalysators ist in diesem Zusammenhang der Temperaturbereich zu verstehen, in welchem eine effiziente Konvertierung der Stickoxide mittels selektiver katalytischer Reduktion möglich ist. Dieser Temperaturbereich liegt bei bekannten SCR-Katalysatoren im Bereich von 200°C - 380°C. Im Anschluss an die Kaltstartphase erfolgt die Abgasnachbehandlung in bekannter Weise vorzugsweise über einen Partikelfilter mit einer SCR-Beschichtung und einen nachgeschalteten SCR-Katalysator.Such a method can reduce the nitrogen oxide emissions in the cold start phase compared to the solutions known from the prior art. The nitrogen oxide emissions are stored in the passive NOx adsorber in a first phase after the cold start of the internal combustion engine. The passive NOx adsorber stores nitrogen oxides in a temperature range of 80 ° C to around 200 ° C and releases them again above this temperature. In this way, the nitrogen oxides produced in the cold start phase can be temporarily stored until the SCR catalytic converter has reached its operating temperature and enables nitrogen oxides to be converted by means of a selective, catalytic reduction. An operating temperature of the SCR catalytic converter is to be understood in this context as the temperature range in which an efficient conversion of the nitrogen oxides is possible by means of selective catalytic reduction. With known SCR catalytic converters, this temperature range is between 200 ° C and 380 ° C. After the cold start phase, the exhaust gas aftertreatment takes place in a known manner, preferably via a particle filter with an SCR coating and a downstream SCR catalytic converter.
Der passive NOx-Adsorber kann bereits sehr zeitnah nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors eine gute, jedoch nur temporäre NOx-Minderung ermöglichen. Durch die Kombination mit einem Partikelfilter mit SCR-Beschichtung oder einem SCR-Katalysator, welcher während der Kaltstartphase auf seine Light-Off-Temperatur aufgeheizt wird und diese erreicht, bevor es zu einer Desorption der Stickoxide aus dem passiven NOx-Adsorber kommt, können die Stickoxidemissionen in der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors deutlich verringert werden. Durch die Position des passiven NOx-Adsorbers in einem Bypass zum Abgaskanal wird sichergestellt, dass der passive NOx-Adsorber nach der Kaltstartphase aus dem Abgasstrom entkoppelt werden kann bzw. durch eine gezielte Ansteuerung regeneriert werden kann, sodass der passive NOx-Adsorber bei einem erneuten Startvorgang im Wesentlichen vollständig entleert ist und eine hinreichende Menge an Stickoxiden einspeichern kann.The passive NOx adsorber can enable a good, but only temporary, NOx reduction very soon after a cold start of the internal combustion engine. By combining it with a particle filter with an SCR coating or an SCR catalytic converter, which is heated to its light-off temperature during the cold start phase and reaches this before the nitrogen oxides are desorbed from the passive NOx adsorber, the Nitrogen oxide emissions in the cold start phase of the internal combustion engine are significantly reduced. The position of the passive NOx adsorber in a bypass to the exhaust gas duct ensures that the passive NOx adsorber can be decoupled from the exhaust gas flow after the cold start phase or can be regenerated through a targeted control so that the passive NOx adsorber when a new one occurs Starting process is essentially completely emptied and can store a sufficient amount of nitrogen oxides.
Ferner kann der passive NOx-Adsorber bei höheren Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen oberhalb der Desorptionstemperatur der im passiven NOx-Adsorber eingespeicherten Stickoxide, aus dem Abgasstrom entkoppelt werden, um eine thermische Alterung des passiven NOx-Adsorbers zu verringern und/oder den Strömungswiderstand in der Abgasanlage zu reduzieren.Furthermore, the passive NOx adsorber can be decoupled from the exhaust gas flow at higher temperatures, in particular at temperatures above the desorption temperature of the nitrogen oxides stored in the passive NOx adsorber, in order to reduce thermal aging of the passive NOx adsorber and / or the flow resistance in the Reduce exhaust system.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Merkmale sind vorteilhafte Weiterentwicklungen und nicht triviale Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung möglich.The features mentioned in the dependent claims enable advantageous further developments and non-trivial improvements of the method for exhaust gas aftertreatment specified in the independent claim.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Schwellenwert unterhalb des zweiten Schwellenwerts der Abgastemperatur liegt. Dadurch kann verhindert werden, dass die Stickoxide in größerem Umfang thermisch desorbieren, bevor die Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ihre Betriebstemperatur erreicht hat.In a preferred embodiment of the invention it is provided that the first threshold value is below the second threshold value of the exhaust gas temperature. This can prevent the nitrogen oxides from thermally desorbing to a greater extent before the exhaust gas aftertreatment component for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides has reached its operating temperature.
Bevorzugt ist dabei, wenn der erste Schwellenwert der Abgastemperatur im Bereich von 150°C - 250°C, vorzugsweise im Bereich von 150°C - 200°C liegt. Bevorzugt liegt der zweite Schwellenwert der Abgastemperatur im Bereich von 200°C - 350°C, besonders bevorzugt im Bereich von 220°C - 300°C.It is preferred here if the first threshold value for the exhaust gas temperature is in the range from 150 ° C. to 250 ° C., preferably in the range from 150 ° C. to 200 ° C. The second threshold value for the exhaust gas temperature is preferably in the range from 200 ° C. to 350 ° C., particularly preferably in the range from 220 ° C. to 300 ° C.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Schwellenwert für den Füllstand des passiven NOx-Adsorber im Bereich von 50% - 100%, vorzugsweise bei mindestens 80%, besonders bevorzugt bei 90% liegt.In an advantageous embodiment of the method it is provided that the threshold value for the fill level of the passive NOx adsorber is in the range of 50% -100%, preferably at least 80%, particularly preferably 90%.
Ein weiterer Teilaspekt der Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einer Abgasanlage, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors durch einen Abgaskanal der Abgasanlage eine Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden und stromabwärts dieser Abgasnachbehandlungskomponente ein Sperrkatalysator angeordnet ist. Von dem Abgaskanal zweigt stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente an einer Verzweigung ein Bypass ab, welcher stromabwärts der Verzweigung und stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente an einer Einmündung wieder in den Abgaskanal mündet, wobei in dem Bypass ein passiver NOx-Adsorber angeordnet ist. Am Abgaskanal ist ein Stellelement vorgesehen, mit welchem der Abgasstrom des Verbrennungsmotors wahlweise durch einen Hauptkanal des Abgaskanals oder durch den Bypass geleitet werden kann.Another aspect of the invention relates to an exhaust gas aftertreatment system for exhaust gas aftertreatment of an internal combustion engine with an exhaust system, in which an exhaust gas aftertreatment component for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides is arranged in the flow direction of an exhaust gas flow of the internal combustion engine through an exhaust duct of the exhaust system and a blocking catalyst is arranged downstream of this exhaust gas aftertreatment component. Upstream of the exhaust gas aftertreatment component, a bypass branches off from the exhaust gas duct at a junction which, downstream of the branch and upstream of the exhaust gas aftertreatment component, opens again into the exhaust duct at a confluence, a passive NOx adsorber being arranged in the bypass. An adjusting element is provided on the exhaust gas duct, with which the exhaust gas flow from the internal combustion engine can optionally be directed through a main duct of the exhaust gas duct or through the bypass.
Unter einem passiven NOx-Adsorber ist in diesem Zusammenhang ein Speicherkatalysator zu verstehen, welcher in einem Temperaturbereich von 80°C - 200°C eine hohe NOx-Speicherfähigkeit aufweist, jedoch bei höheren Temperaturen die eingelagerten Stickoxide wieder unkonvertiert emittiert. Ein solcher passiver NOx-Adsorber kann daher bereits sehr zeitnah nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors eine gute, jedoch nur temporäre NOx-Minderung ermöglichen. Durch die Kombination mit einem Partikelfilter mit SCR-Beschichtung oder einem SCR-Katalysator, welcher während der Kaltstartphase auf seine Light-Off-Temperatur aufgeheizt wird und diese erreicht, bevor es zu einer Desorption der Stickoxide aus dem passiven NOx-Adsrober kommt, können die Stickoxidemissionen in der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors deutlich verringert werden. Ferner kann der passive NOx-Adsorber bei höheren Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen oberhalb der Desorptionstemperatur der im passiven NOx-Adsorber eingespeicherten Stickoxide, aus dem Abgasstrom entkoppelt werden, um eine thermische Alterung des passiven NOx-Adsorbers zu verringern und/oder den Strömungswiderstand in der Abgasanlage zu reduzieren.In this context, a passive NOx adsorber is to be understood as a storage catalytic converter which has a high NOx storage capacity in a temperature range of 80 ° C - 200 ° C, but which emits the stored nitrogen oxides again unconverted at higher temperatures. Such a passive NOx adsorber can therefore enable a good, but only temporary, NOx reduction very soon after a cold start of the internal combustion engine. By combining it with a particle filter with an SCR coating or an SCR catalytic converter, which is heated to its light-off temperature during the cold start phase and reaches this before the nitrogen oxides are desorbed from the passive NOx adsorber, the Nitrogen oxide emissions in the cold start phase of the internal combustion engine are significantly reduced. Furthermore, the passive NOx adsorber can be decoupled from the exhaust gas flow at higher temperatures, in particular at temperatures above the desorption temperature of the nitrogen oxides stored in the passive NOx adsorber, in order to reduce thermal aging of the passive NOx adsorber and / or the flow resistance in the Reduce exhaust system.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass an der Verzweigung eine Abgasrückführungsleitung einer Niederdruck-Abgasrückführung aus dem Abgaskanal abzweigt, wobei der passive NOx-Adsorber in der Abgasrückführungsleitung angeordnet ist. Die Abgasrückführungsleitung weist eine weitere Verzweigung auf, an welcher ein Bypass aus der Abgasrückführungsleitung abzweigt, welcher die Abgasrückführungsleitung mit dem Abgaskanal stromabwärts des Stellelements und stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden verbindet. Durch eine Anordnung des passiven NOx-Adsorbers in der Niederdruckabgasrückführung kann der Bauraum optimal genutzt werden. Zudem kann die Anzahl an zusätzlichen Bauteilen verringert werden, wodurch sich die Mehrkosten reduzieren lassen. Durch eine Reduzierung der NOx-Emissionen im zurückgeführten Abgasstrom des Verbrennungsmotors können zudem die Rohemissionen des Verbrennungsmotors verringert werden, wodurch die Endrohremissionen insbesondere in der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors minimiert werden können.According to the invention it is provided that an exhaust gas recirculation line of a low-pressure exhaust gas recirculation branches off from the exhaust gas duct at the branch, the passive NOx adsorber being arranged in the exhaust gas recirculation line. The exhaust gas recirculation line has a further branch at which a bypass branches off from the exhaust gas recirculation line, which connects the exhaust gas recirculation line to the exhaust gas duct downstream of the control element and upstream of the exhaust gas aftertreatment component for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides. The installation space can be optimally used by arranging the passive NOx adsorber in the low-pressure exhaust gas recirculation system. In addition, the number of additional components can be reduced, whereby the additional costs can be reduced. By reducing the NOx emissions in the recirculated exhaust gas flow of the internal combustion engine, the raw emissions of the internal combustion engine can also be reduced, whereby the tailpipe emissions can be minimized, especially in the cold start phase of the internal combustion engine.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in der Abgasrückführungsleitung stromabwärts des passiven NOx-Adsorbers und stromaufwärts der weiteren Verzweigung eine Einrichtung zur Abgaswärmerückgewinnung, insbesondere ein Abgasrückführungskühler der Niederdruck-Abgasrückführung angeordnet ist. Dabei kann das Kühlmittel des Verbrennungsmotors durch das zurückgeführte Abgas schneller erwärmt werden, wodurch die Reibung des Verbrennungsmotors verringert werden kann. Dies führt zu einem Verbrauchsvorteil und geringeren Rohemissionen in der Kaltstartphase.According to the invention it is provided that a device for exhaust gas heat recovery, in particular an exhaust gas recirculation cooler for the low pressure exhaust gas recirculation, is arranged in the exhaust gas recirculation line downstream of the passive NOx adsorber and upstream of the further branch. The coolant of the internal combustion engine can be heated more quickly by the recirculated exhaust gas, whereby the friction of the internal combustion engine can be reduced. This leads to a consumption advantage and lower raw emissions in the cold start phase.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass das Abgasnachbehandlungssystem eine motornahe erste Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden und eine stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente angeordnete zwei Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden aufweist, wobei der Bypass stromabwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente aus dem Abgaskanal abzweigt und stromaufwärts der zwei Abgasnachbehandlungskomponente wieder in den Abgaskanal einmündet. Da sich die motornahe Abgasnachbehandlungskomponente schneller aufheizt als die motorferne zweite Abgasnachbehandlungskomponente, kann die erste Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen Reduktion ihre Betriebstemperatur erreichen, bevor es zu einer signifikanten Desorption von Stickoxiden aus dem passiven NOx-Adsorber kommt. Somit ist stets mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente zur Minderung der Stickoxidemissionen aktiv, wodurch die Kaltstartemissionen weiter verringert werden können.In an advantageous embodiment of the exhaust aftertreatment system it is provided that the exhaust aftertreatment system has a first exhaust aftertreatment component close to the engine for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides and a two exhaust aftertreatment component arranged downstream of the first exhaust aftertreatment component for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides, the bypass branching off the first exhaust gas duct downstream of the first exhaust gas duct and opens up into the exhaust duct again upstream of the two exhaust gas aftertreatment components. Since the exhaust aftertreatment component close to the engine heats up faster than the second exhaust aftertreatment component remote from the engine, the first exhaust aftertreatment component can reach its operating temperature for selective catalytic reduction before there is significant desorption of nitrogen oxides from the passive NOx adsorber. Thus, at least one exhaust gas aftertreatment component is always active to reduce nitrogen oxide emissions, which means that cold start emissions can be further reduced.
In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass stromabwärts ein Auslass des Verbrennungsmotors und stromaufwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ein erstes Dosierelement und stromabwärts der Einmündung und stromaufwärts der zwei Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ein zweites Dosierelement angeordnet ist. Dadurch kann der Betriebsbereich des Abgasnachbehandlungssystems erweitert werden, sodass auch in einem Hochlast- oder Volllastbereich zumindest eine Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden in einem zur Konvertierung der Stickoxide idealen Temperaturbereich betrieben wird.In a further improvement of the invention it is provided that an outlet of the internal combustion engine is arranged downstream and a first metering element is arranged upstream of the first exhaust gas aftertreatment component for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides and a second metering element is arranged downstream of the confluence and upstream of the two exhaust gas aftertreatment components for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides. As a result, the operating range of the exhaust gas aftertreatment system can be expanded so that at least one exhaust gas aftertreatment component for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides is operated in a temperature range ideal for converting the nitrogen oxides even in a high load or full load range.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass der in Strömungsrichtung letzten Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ein Sperrkatalysator nachgeschaltet ist. Dadurch kann verhindert werden, dass unverbrauchtes Ammoniak in die Umwelt emittiert wird.In an advantageous embodiment of the exhaust gas aftertreatment system, it is provided that the last exhaust gas aftertreatment component in the flow direction is followed by a barrier catalytic converter for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides. This can prevent unused ammonia from being emitted into the environment.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application can be advantageously combined with one another, unless stated otherwise in the individual case.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigen:
-
1 einen Verbrennungsmotor mit einem Luftversorgungssystem und einer Abgasanlage mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem; -
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Abgasnach behand lungssystem; -
3 bis5 das Abgasnachbehandlungssystem aus2 in drei verschiedenen Betriebszuständen; und -
6 bis8 das Abgasnachbehandlungssystem aus1 in drei verschiedenen Betriebszuständen.
-
1 an internal combustion engine with an air supply system and an exhaust system with an exhaust gas aftertreatment system according to the invention; -
2 a further embodiment for an inventive exhaust gas treatment system; -
3 until5 the exhaust aftertreatment system2 in three different operating states; and -
6th until8th the exhaust aftertreatment system1 in three different operating states.
Das Luftversorgungssystem
Die Abgasanlage
Die Niederdruck-Abgasrückführung
In dem Bypass
In dem Abgaskanal
Der Verbrennungsmotor
In
In
In
In diesem Betriebszustand werden die Stickoxide durch die (in den
In
In den
In
In
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- VerbrennungsmotorInternal combustion engine
- 1212th
- BrennraumCombustion chamber
- 1414th
- KraftstoffinjektorFuel injector
- 1616
- Einlassinlet
- 1818th
- Auslass Outlet
- 2020th
- LuftversorgungssystemAir supply system
- 2222nd
- LuftfilterAir filter
- 2424
- LuftmassenmesserAir mass meter
- 2626th
- Verdichtercompressor
- 2828
- Ansaugkanal Intake duct
- 3030th
- HochdruckabgasrückführungHigh pressure exhaust gas recirculation
- 3232
- LadeluftkühlerIntercooler
- 3434
- EinmündungConfluence
- 3636
- AbgasrückführungskanalExhaust gas recirculation duct
- 3838
- Hochdruck-Abgasrückführungs-Ventil High pressure exhaust gas recirculation valve
- 4040
- AbgasanlageExhaust system
- 4242
- AbgaskanalExhaust duct
- 4444
- Turbineturbine
- 4646
- erster Katalysatorfirst catalyst
- 4848
- NOx-Speicherkatalysator NOx storage catalytic converter
- 5050
- OxidationskatalysatorOxidation catalyst
- 5252
- PartikelfilterParticle filter
- 5454
- SCR-BeschichtungSCR coating
- 5656
- SCR-KatalysatorSCR catalytic converter
- 5858
- SperrkatalysatorBarrier catalytic converter
- 6060
- AbgasturboladerExhaust gas turbocharger
- 6262
- Bypassbypass
- 6464
- SteuerelementControl
- 6666
- erstes Dosierelementfirst metering element
- 6868
- zweites Dosierelement second metering element
- 7070
- TemperatursensorTemperature sensor
- 7272
- DifferenzdrucksensorenDifferential pressure sensors
- 7474
- weitere Verzweigungfurther branching
- 7676
- Verzweigungbranch
- 7878
- Abgasklappe Exhaust flap
- 8080
- Niederdruck-AbgasrückführungLow pressure exhaust gas recirculation
- 8282
- Niederdruck-AbgasrückführungskühlerLow pressure exhaust gas recirculation cooler
- 8484
- AbgasrückführungsventilExhaust gas recirculation valve
- 8686
- AbgasrückführungsleitungExhaust gas recirculation line
- 8888
- passiver NOx-Adsorber passive NOx adsorber
- 9090
- SteuergerätControl unit
- 9292
- EinmündungConfluence
- 9494
- HauptkanalMain channel
- 9696
- Einrichtung zur AbgaswärmerückgewinnungDevice for exhaust gas heat recovery
- 9898
- AbgasmischerExhaust mixer
Claims (8)
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|---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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| DE102020116160B3 true DE102020116160B3 (en) | 2021-09-16 |
Family
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Family Applications (1)
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-
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