DE102010005814A1

DE102010005814A1 - Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102010005814A1
Application number: DE102010005814A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Weiss
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2010-01-27
Filing date: 2010-01-27
Publication date: 2011-07-28

Abstract

Abgasanlage (1) für eine Brennkraftmaschine (2), bestehend zumindest aus einem Abgaskrümmer (3), der gasführend mit einem Abgasstrang (4) verbunden ist, in dem ein von einem Abgas der Brennkraftmaschine (2) durchflutbarer Abgasturbolader (5) angeordnet ist, wobei das Abgas zuerst den Abgaskrümmer (3) und anschließend den Abgasturbolader (5) durchflutet und wobei zwischen dem Abgaskrümmer (3) und dem Abgasturbolader (5) eine erste Abgasreinigungsanlage (6) in dem Abgasstrang (4) angeordnet ist und wobei ein Strömungsquerschnitt der ersten Abgasreinigungsanlage (6) im Bereich der ersten Abgasreinigungsanlage (6) ein Teilströmungsquerschnitt deschnitt der ersten Abgasreinigungsanlage (6) von einem Schließelement (7) verschließbar ist und wobei hinter dem Abgasturbolader (5) eine zweite Abgasreinigungsanlage (8) und hinter dieser ein SCR-Katalysator (10) angeordnet ist, wobei die erste und/oder die zweite Abgasreinigungsanlage (6, 8) passive Speichereigenschaften für NOx- und/oder HC (Stickoxide und/oder Kohlenwasserstoffe) aufweist. Mit der erfindungsgemäßen Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine können problemlos strengste Emissionsgesetze eingehalten werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Sie geht von der noch nicht veröffentlichten deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2008 057 572.0 aus. Aus dieser ist eine gattungsgemäße Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine bekannt. Diese besteht zumindest aus einem Abgaskrümmer, der abgasführend mit einem Abgasstrang verbunden ist, in dem ein von dem Abgas der Brennkraftmaschine durchflutbarer Abgasturbolader angeordnet ist. Hierbei durchströmt das Abgas zuerst den Abgaskrümmer und anschließend den Abgasturbolader, wobei vor dem Abgasturbolader eine erste Abgasreinigungsanlage in dem Abgasstrang angeordnet ist. Ein Strömungsquerschnitt der ersten Abgasreinigungsanlage ist im Bereich der ersten Abgasreinigungsanlage ein Teilströmungsquerschnitt des Abgasstrangs. Hierbei sind der Teilströmungsquerschnitt des Abgasstrangs und der Strömungsquerschnitt der ersten Abgasreinigungsanlage wechselweise von einem Schließelement verschließbar. Hinter dem Abgasturbolader ist ein Partikelfilter und hinter dem Partikelfilter eine weitere Abgasreinigungsanlage, ein SCR-Katalysator, in dem Abgasstrang angeordnet. Durch den Einsatz der gattungsgemäßen Abgasanlage können die Kohlenwasserstoff-(HC) und Kohlenmonoxid-(CO)-Emissionen deutlich reduziert werden. Im Neuzustand der Abgasanlage ist man damit in der Lage, mit ausreichendem Sicherheitsabstand die gesetzlichen Emissionsgrenzwerte zu unterschreiten und die Typprüfung positiv zu bestehen.
Nachteilig an diesem Stand der Technik ist jedoch, dass nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine der SCR-Katalysator zur Reduzierung der Stickoxide (NO_x) stromabwärts des Partikelfilters seine Betriebstemperatur nur sehr langsam und in manchen Betriebszyklen erst gegen dessen Ende erreicht. Die von der Brennkraftmaschine freigesetzten Stickoxide können erst sehr spät konvertiert werden und verursachen relativ hohe Stickoxidemissionen des Fahrzeuges.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, oben genannte Nachteile zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Neu ist, dass die katalytischen Bauteile mit der bisher bekannten Oxidationsfunktion durch katalytische Bauteile mit völlig neuartiger Funktionalität ersetzt werden. Anstatt der Oxidationskatalysatoren kommen Katalysatoren mit passiven Speichereigenschaften für NO_x- und/oder HC zum Einsatz. Diese erfordern im Gegensatz zum NO_x-Speicherkatalysator (NSC) kein fettes Abgas (unterstöchiometrisches Gemischzusammensetzung) für deren Regeneration. Die Ausspeicherung der Schadstoffe ist im Wesentlichen von den Parametern Abgastemperatur und Abgasmassendurchsatz abhängig. Die bisher bekannte Oxidationsfunktion kann dabei im Wesentlichen erhalten bleiben. Damit ergibt sich ein neues Abgasreinigungssystem mit völlig neuen Eigenschaften. In der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine werden die Stickoxid- und/oder HC-Emissionen von den Katalysatoren mit passiven Speichereigenschaften zwischengespeichert, bis das nachgeschaltete SCR-System stromabwärts des Partikelfilters seine Betriebstemperatur erreicht hat. Danach werden die zwischengespeicherten Emissionskomponenten, wie oben beschrieben, ausgespeichert und von den stromabwärts angeordneten Bauteilen konvertiert (Stickoxide werden vom SCR-Katalysator umgesetzt, HC-Emissionen vom beschichteten Dieselpartikelfilter). Die Ausspeicherung wird durch Anheben von der Abgastemperatur und/oder dem Abgasmassenstrom gesteuert. Dies kann entweder durch erhöhte Last der Brennkraftmaschine aufgrund des Fahrprofils oder durch brennkraftmaschinenseitige Eingriffe umgesetzt werden.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
In einer weiteren Variante kann entweder nur die erste Abgasreinigungsanlage mit passiven NO_x/HC-Speichereigenschaften und die zweite Abgasreinigungsanlage mit einer bekannten Oxidationsbeschichtung oder umgekehrt ausgerüstet werden.
Im wiederum einer weiteren Variante kann die Beschichtung mit passiven NO_x/HC-Speichereigenschaften in den Partikelfilter integriert werden.
In einer weiteren Variante kann der stromabwärts des Partikelfilters angeordnete SCR-Katalysator auch in die Beschichtung des Partikelfilters integriert werden und muss nicht notwendigerweise auf einem separaten Katalysatorträger aufgebracht sein. In diesem Fall befindet sich die Reduktionsmitteleinbringstelle vor dem Partikelfilter.
In einer weiteren Variante kann der Betrieb des Systems derart ausgestaltet werden, dass die Ausspeicherung der Schadstoffe aus der ersten Abgasreinigungsanlage mit passiven NO_x/HC-Speichereigenschaften durch temporäres Öffnen der Bypassklappe in Betriebszuständen der Brennkraftmaschine mit ausreichend hohen Abgastemperaturen erfolgt.
In einer weiteren Variante kann der Betrieb des Systems derart ausgestaltet werden, dass unmittelbar nach dem Kaltstart der Brennkraftmaschine und in Betriebszuständen mit niedriger NO_x-Emission (niederlastige Betriebspunkte, leerlaufnah oder quasi-stationärer Betrieb,...) bei konventioneller Brennkraftmaschineneinstellung die NO_x- und HC-Emissionen in den Abgasreinigungsanlagen mit passiven NO_x/HC-Speichereigenschaften zwischengespeichert werden und in Betriebszuständen mit hohen NO_x-Emissionen in einen stöchiometrischen Betrieb umgeschaltet und mittels 3-Wege-Katalyse konvertiert werden.
Mit der vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine können somit die oben angeführten Funktionsnachteile des bekannten Standes der Technik vollständig umgangen werden.
Bisher sind zwei aus dem Stand der Technik bekannte Technologien zur Hand, um beispielsweise beim Dieselmotor im mageren Abgas Stickoxide zu reduzieren:

1. NO_x-Speicherkatalysator (NSC) und
2. SCR-System (selective catalytic reduction).

Beide Systeme weisen bisher fundamentale Nachteile auf: Der NO_x-Speicherkatalysator funktioniert nur in einem sehr eingeschränkten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine, ist applikativ sehr aufwändig und hat Mehrverbrauch zur Folge.
Das SCR-System funktioniert in einem deutlich größeren Betriebsbereich, kommt aber bislang nur sehr zögerlich auf Betriebstemperatur und konvertiert im Warmlauf die Stickoxide nicht.
Es ergeben sich aufgrund der Erfindung folgende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik:
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein System beschrieben, das besonders für niederlastige PKW-Anwendungen geeignet ist, wie z. B.:

– Leichte Fahrzeuge
– NO_x-unkritische aber HC/CO-kritische Fahrzeug/Brennkraftmaschinenkombinationen
– Testzyklen mit niedriger Dynamik, moderaten Lasten bzw. NO_x-Grenzwerten.

Damit hat man erfindungsgemäß ein System zur Hand, das:

– Stickoxidemissionen unmittelbar nach dem Brennkraftmaschinenstart zwischenspeichert und konvertiert;
– sehr strenge Emissionsgesetze (EU6 und ff., US-SULEV (ultra low emissions vehicle),...) schafft;
– im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine funktioniert;
– ohne zusätzlichen Kraftstoffmehrverbrauch auskommt;
– die Dynamik des Fahrzeuges nicht einschränkt;
– alterungsstabil ist;
– aufgrund der kleinen Abmessungen geringe Zusatzkosten verursacht und
– mit überschaubaren Änderungen im bestehendes Package unterzubringen ist.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand von zwei besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen in drei Figuren näher erläutert.
1 zeigt schematisch ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine.
2 zeigt schematisch ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine.
3 zeigt in einem Diagramm einen Schadstoffausstoß einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Abgasanlage.
1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Abgasanlage 1 für eine Brennkraftmaschine 2. Die Brennkraftmaschine 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel 6 Zylinder auf, die durch Kreise mit Injektoren symbolisch dargestellt sind. An die Brennkraftmaschine 2 ist ein Abgaskrümmer 3 angeordnet zur Ableitung von Abgasen. An den Abgaskrümmer 3 ist ein Abgasstrang 4 angeflanscht, in dem ein Abgasturbolader 5 angeordnet ist, wobei eine nicht näher beziffertes Turbinengehäuse von dem Abgas durchströmbar ist.
Zwischen dem Abgaskrümmer 3 und dem Abgasturbolader 5 ist der Abgasstrang 4 zweiflutig ausgeführt, wobei in einer Flut eine erste Abgasreinigungsanlage 6 angeordnet ist. Die Fluten sind wechselweise von einem Stellelement 12 umschaltbar, bezeichnet mit DDE (digitale Dieselelektronik). Das Stellelement 7 kann hierbei gesteuert oder geregelt betätigt werden, um entweder die Konvertierungseigenschaften der ersten Abgasreinigungsanlage 6 zu nutzen oder diese vor Überhitzung zu schützen.
Weiter in Strömungsrichtung des Abgases sind in den Abgasstrang 4 eine zweite Abgasreinigungsanlage 8 sowie ein Partikelfilter 11 angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters ist eine Reduktionsmitteleinbringstelle für ein Reduktionsmittel, wie z. B. wässrige Harnstofflösung, welches für einen SCR-Katalysator 10 in Strömungsrichtung des Abgases hinter der Reduktionsmitteleinbringstelle 9 vorgesehen ist.
Ansaugseitig weist der Abgasturbolader 5 ein nicht beziffertes Verdichtergehäuse auf, das mit einer Ansaugluftleitung 13 gasführend verbunden ist. Der Verdichter wird beim Betrieb der Brennkraftmaschine von der Turbine angetrieben und fördert eine Ansaugluft zuerst in einen Ladeluftkühler 14 und dann weiter in einen Ansaugluftsammler 15. Von dort gelangt die Ansaugluft in die eingangs erwähnten Zylinder.
Erfindungsgemäß weisen die erste und/oder die zweite Abgasreinigungsanlage 6, 8 passive Speichereigenschaften für NO_x- und/oder HC (Stickoxide und/oder Kohlenwasserstoffe) auf.
2 zeigt schematisch ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Abgasanlage 1 für eine Brennkraftmaschine 2. Gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel ist in diesem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel ein zweiter Abgasturbolader 16 vorgesehen, der zwischen dem ersten Abgasturbolader 5 und der zweiten Abgasreinigungsanlage 8 in dem Abgasstrang 4 angeordnet ist. Ansaugluftseitig weist die Ansaugluftleitung 13 gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel ein Stellelement 21 auf, um die Ansaugluft je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine 2 leiten zu können. Weiter weist der erste Abgasturbolader 5 einen Bypass 17 auf mit einem ersten Drosselelement 18, welches beispielsweise eine Klappe sein kann. Auch der zweite Abgasturbolader 16 weist einen zweiten Bypass 19 auf, in dem ein zweites Drosselelement 20, welches ebenfalls eine Klappe sein kann, angeordnet ist.
3 zeigt in einem Diagramm einen Schadstoffausstoß einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Abgasanlage 1. Über eine X-Achse ist die Zeit in [s] dargestellt, über eine Y-Achse sind Messgrößen für NO_x vor Katalysator (Kat), NO_x nach Katalysator, HC vor Katalysator, HC nach Katalysator, Abgastemperatur vor Katalysator und Lambda vor Katalysator dargestellt. Zeitphasen sind mit Phase 1, 2, 3, 4, 5 und 6 bezeichnet.
NO_x: In der Phase 1, „Speicher beladen” zeigt die Messgröße „NO_x nach Kat” zunächst einen niedrigeren Wert als „NO_x vor Kat”, d. h. ein Teil der Rohemission wird eingespeichert und nur ein Rest schlupft. Das ist solange der Fall, bis entweder der NO_x-Speicher voll ist oder wie abgebildet Abgastemperatur/Abgasmassenstrom angehoben werden, siehe Phase 3 „Speicher entleeren”. In dieser Phase wird das eingespeicherte NO_x ausgetrieben und von einem stromabwärts angeordneten SCR-System, welches in der Zwischenzeit auf Betriebstemperatur ist, konvertiert. Damit kann die Einspeicherung von Neuem beginnen, z. B. Phase 4.
HC: Im dargestellten Beispiel wird in Phase 1 nur ein sehr geringer Teil HC eingespeichert („HC nach Kat” ist nur geringfügig niedriger als „HC vor Kat”). Aber aufgrund seiner Oxidationsfunktion konvertiert der Katalysator die HC-Emission fast vollständig, sobald er seine HC-Light-Off-Temperatur (50% Konvertierung) erreicht hat, siehe Phase 2 „Erreichen Light-Off-Temperatur für „HC””). Wird der Katalysator mit einer Abgastemperatur unterhalb der Light-Off-Temperatur beaufschlagt, so kühlt der Katalysator wieder aus (Phase 4 „Speicher beladen”) und HC wird wieder schlupfen.
TWC-Funktion: in Phase 5 „Speicher entleeren durch stöchiometrischen Betrieb” ist die Reaktion des Katalysators dargestellt, der optional eine Drei-Wege-Konvertierungseigenschaft (TWC) integriert hat. Wird dieser Katalysator mit stöchiometrischem Abgas beaufschlagt (Lambda = 1), dann funktioniert er als Drei-Wege-Katalysator und konvertiert neben CO auch HC und NO_x.
Damit hat man erfindungsgemäß ein System zur Hand, das:

– Stickoxidemissionen unmittelbar nach dem Brennkraftmaschinenstart zwischenspeichert und konvertiert;
– sehr strenge Emissionsgesetze (EU6 und ff. US-SULEV (super ultra low emissions vehicle,...) schafft;
– im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine funktioniert;
– ohne zusätzlichen Kraftstoffmehrverbrauch auskommt;
– die Dynamik des Fahrzeuges nicht einschränkt;
– alterungsstabil ist;
– aufgrund der kleinen Abmessungen geringe Zusatzkosten verursacht und
– mit überschaubaren Änderungen in bestehendes Package unterzubringen ist.

Bezugszeichenliste

1: Abgasanlage
2: Brennkraftmaschine
3: Abgaskrümmer
4: Abgasstrang
5: Abgasturbolader
6: erste Abgasreinigungsanlage
7: Schließelement
8: zweite Abgasreinigungsanlage
9: Reduktionsmitteleinbringstelle
10: SCR-Katalysator
11: Partikelfilter
12: Stellelement
13: Ansaugluftleitung
14: Ladeluftkühler
15: Ansaugluftsammler
16: zweiter Abgasturbolader
17: erster Bypass
18: erstes Drosselelement
19: zweiter Bypass
20: zweites Drosselelement
21: Stellelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008057572 A [0002]

Claims

Abgasanlage (1) für eine Brennkraftmaschine (2), bestehend zumindest aus einem Abgaskrümmer (3), der gasführend mit einem Abgasstrang (4) verbunden ist, in dem ein von einem Abgas der Brennkraftmaschine (2) durchflutbarer Abgasturbolader (5) angeordnet ist, wobei das Abgas zuerst den Abgaskrümmer (3) und anschließend den Abgasturbolader (5) durchflutet und wobei zwischen dem Abgaskrümmer (3) und dem Abgasturbolader (5) eine erste Abgasreinigungsanlage (6) in dem Abgasstrang (4) angeordnet ist und wobei ein Strömungsquerschnitt der ersten Abgasreinigungsanlage (6) im Bereich der ersten Abgasreinigungsanlage (6) ein Teilströmungsquerschnitt des Abgasstrangs (4) ist und wobei der Strömungsquerschnitt der ersten Abgasreinigungsanlage (6) von einem Schließelement (7) verschließbar ist und wobei hinter dem Abgasturbolader (5) eine zweite Abgasreinigungsanlage (8) und hinter dieser ein SCR-(selective catalytic reduction)Katalysator (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Abgasreinigungsanlage (6, 8) passive Speichereigenschaften für NO_x und/oder HC (Stickoxide und/oder Kohlenwasserstoffe) aufweist.
Abgasanlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung eines Abgases hinter der zweiten Abgasreinigungsanlage (8) eine Reduktionsmitteleinbringstelle (9) vorgesehen ist.
Abgasanlage nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zweiten Abgasreinigungsanlage (8) und der Reduktionsmitteleinbringstelle (9) ein Partikelfilter (11) in der Abgasanlage (1) angeordnet ist.
Abgasanlage nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Schließelement (7) der Strömungsquerschnitt der Abgasreinigungsanlage (6) und der Teilströmungsquerschnitt des Abgasstrangs (4) wechselweise verschließbar ist.
Abgasanlage nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Abgases nach dem Abgasturbolader (5) in dem Abgasstrang (4) ein zweiter Abgasturbolader (16) angeordnet ist.
Abgasanlage nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Abgasreinigungsanlage (6, 8) als Oxidationskomponente ausgeführt ist.
Abgasanlage nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Abgasreinigungsanlage (6, 8) über eine Drei-Wege-Konvertierungsfunktion verfügt.