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Dokumentenidentifikation DE102006014073A1 04.10.2007
Titel Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine
Anmelder PUREM Abgassysteme GmbH & Co. KG, 59423 Unna, DE
Erfinder Hüthwohl, Georg, Dr., 59494 Soest, DE
DE-Anmeldedatum 28.03.2006
DE-Aktenzeichen 102006014073
Offenlegungstag 04.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.10.2007
IPC-Hauptklasse F01N 3/20(2006.01)A, F, I, 20060328, B, H, DE
Zusammenfassung Es wird eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einer SCR-Katalysatoreinheit (10) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden mit einem Abgaseintritt (12) und einem Abgasaustritt (14) offenbart. Die erfindungsgemäße SCR-Katalysatoreinheit (10) weist eine Parallelschaltung eines SCR-Hauptkatalysators (18) und eines SCR-Nebenkatalysators (20), wobei der SCR-Hauptkatalysator (18) für den kompletten Abgasmassenstrom durch die SCR-Katalysatoreinheit ausgelegt ist und der SCR-Nebenkatalysator (20) für einen geringeren Abgasmassenstrom als der SCR-Hauptkatalysator ausgelegt ist; eine Sperrvorrichtung (26) zum Sperren des Abgasmassenstroms durch den SCR-Hauptkatalysator (18) und eine Steuervorrichtung (28) zum Steuern des Betriebs der Sperrvorrichtung (26), derart, dass der Abgasmassenstrom durch den SCR-Hauptkatalysator (18) gesperrt wird, wenn die Abgastemperatur eine vorgegebene Temperatur unterschreitet, die mit einer Anspringtemperatur des SCR-Hauptkatalysators (18) in Beziehung steht, auf. Mit dieser Abgasnachbehandlungsvorrichtung kann der Wirkungsgrad des gesamten Systems im dynamischen Betrieb der Brennkraftmaschine verbessert werden.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung und ein Abgasnachbehandlungsverfahren für eine Brennkraftmaschine mit einer SCR-Katalysatoreinheit zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden.

In der Kraftfahrzeugtechnik sind insbesondere bei Dieselbrennkraftmaschinen zur Reduktion der Stickoxide in den Abgasmassenströmen so genannte SCR-Katalysatoren bekannt. Zur selektiven katalytischen Reduktion der Stickoxide wird in den Abgasmassenstrom meist eine wässrige Harnstofflösung (HWL) eingespritzt, aus der Ammoniak entsteht, der bei entsprechender Temperatur im SCR-Katalysator mit den Stickoxiden als Reduktionsmittel reagiert. SCR-Katalysatoren werden in Fahrzeugen üblicherweise mit weiteren Arten von Katalysatoren und Partikelfiltern eingesetzt.

Zur wirksamen Reduktion der Stickoxide benötigen die SCR-Katalysatoren eine Katalysatortemperatur, die oberhalb einer Anspringtemperatur von etwa 170°C bis 200°C liegt. Im Stadtbetrieb liegt die Abgastemperatur bei Niedriglastphasen oftmals unterhalb dieser Anspringtemperatur. Dies führt dazu, dass ein warmer Katalysator zum Beispiel während langer Leerlaufphasen auskühlt und dann bei anschließenden Hochlastphasen nicht unmittelbar einsatzbereit ist.

Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht dieser Problematik gemacht. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung und ein Abgasnachbehandlungsverfahren für eine Brennkraftmaschine mit einer SCR-Katalysatoreinheit bereitzustellen, bei denen der Wirkungsgrad des gesamten Systems im dynamischen Fahrbetrieb verbessert ist.

In diesem Zusammenhang ist aus der DE 197 40 702 C1 eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit einem SCR-Katalysator bekannt, mit welcher die Stickoxidemission insbesondere bei Lasterhöhungen und im Warmlauf der Brennkraftmaschine vermindert werden soll. Hierzu ist stromauf des SCR-Katalysators ein Bypass zum Abgaskanal vorgesehen, durch den bei bestimmten Betriebszuständen (schnelle Lastanhebung, Warmlauf) der Abgasmassenstrom über einen Adsorptionskatalysator geleitet werden kann, in dem die im Abgas enthaltenen Stickoxide adsorbiert werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Abgasnachbehandlungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine weist eine SCR-Katalysatoreinheit zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden mit einem Abgaseintritt und einem Abgasaustritt auf. Erfindungsgemäß weist diese SCR-Katalysatoreinheit auf: eine Parallelschaltung eines SCR-Hauptkatalysators und eines SCR-Nebenkatalysators, wobei der SCR-Hauptkatalysator für den kompletten Abgasmassenstrom durch die SCR-Katalysatoreinheit ausgelegt ist und der SCR-Nebenkatalysator für einen geringeren Abgasmassenstrom als der SCR-Hauptkatalysator ausgelegt ist; eine Sperrvorrichtung zum Sperren des Abgasmassenstroms durch den SCR-Hauptkatalysator; und eine Steuervorrichtung zum Steuern des Betriebs der Sperrvorrichtung derart, dass der Abgasmassenstrom durch den SCR-Hauptkatalysator gesperrt wird, wenn die Abgastemperatur eine vorgegebene Temperatur unterschreitet, die mit einer Anspringtemperatur des SCR-Hauptkatalysators in Beziehung steht.

Der SCR-Hauptkatalysator besitzt eine bestimmte Anspringtemperatur, oberhalb der die Stickoxide im hindurchströmenden Abgasmassenstrom reduziert werden. Wird bei einem dynamischen Motorbetrieb die Anspringtemperatur durch die Abgastemperatur unterschritten, so wird die Brennkraftmaschine üblicherweise bei sehr niedriger Last betrieben und die Abgasmassenströme sind ebenfalls gering. In den Kennfeldbereichen mit sehr geringem Abgasmassenstrom und geringer Abgastemperatur kann daher der SCR-Hauptkatalysator durch die Sperrvorrichtung gesperrt werden. Der gesamte, in diesem Fall geringere Abgasmassenstrom strömt dann durch den SCR-Nebenkatalysator, welcher so dimensioniert ist, dass er die Stickoxide in diesen geringeren Abgasmassenströmen reduzieren kann.

Durch das Abschalten bzw. Sperren des SCR-Hauptkatalysators bei niedrigen Abgastemperaturen wird ein Auskühlen des SCR-Hauptkatalysators durch hindurchströmende Abgase vermieden. Wird die Brennkraftmaschine anschließend wieder bei höherer Last betrieben, sodass die Abgastemperatur wieder über die Anspringtemperatur des SCR-Hauptkatalysators steigt, so wird die Sperrvorrichtung wieder geöffnet. Der SCR-Hauptkatalysator ist sofort wieder einsatzbereit, da er sich durch den kühleren Abgasmassenstrom nicht abgekühlt hat, und kann die Stickoxide reduzieren. Zusätzlich ist vorzugsweise auch weiterhin der SCR-Nebenkatalysator in den Abgasstrom geschaltet und kann ebenfalls von Abgas durchströmt werden.

Das Sperren des SCR-Hauptkatalysators durch die Sperrvorrichtung bei niedrigen Abgastemperaturen bewirkt also, dass im dynamischen Betrieb, zum Beispiel im Innenstadtbereich, der SCR-Hauptkatalysator außerhalb von Niedriglastphasen aufgeheizt wird und sich innerhalb der mit sehr niedrigen Abgastemperaturen verbundenen Niedriglastphasen der Brennkraftmaschine nicht so weit abkühlt, dass er bei einer folgenden Betriebsphase mit höherer Last und höherer Abgastemperatur erst wieder lange aufgeheizt werden muss, bis er seine Wirksamkeit erreicht. Somit wird der Wirkungsgrad des gesamten Systems im dynamischen Betrieb der Brennkraftmaschine deutlich erhöht.

Die Sperrvorrichtung ist vorzugsweise am Austritt des SCR-Hauptkatalysators vorgesehen, kann aber auch an seinem Eintritt angebracht sein.

Als Maß für die Abgastemperatur kann zum Beispiel eine durch eine Temperaturerfassungsvorrichtung erfasste Temperatur des Abgasmassenstroms durch die SCR-Katalysatoreinheit, ein durch eine Volumenerfassungsvorrichtung erfasstes Volumen des Abgasmassenstroms durch die SCR-Katalysatoreinheit, ein durch eine Lasterfassungsvorrichtung erfasster Lastzustand der Brennkraftmaschine oder dergleichen herangezogen werden, welche Größen in bestimmter wechselseitiger Beziehung zueinander stehen.

In einer Ausgestaltung der Erfindung besitzt der SCR-Nebenkatalysator eine niedrigere Anspringtemperatur als der SCR-Hauptkatalysator und ist für Abgastemperaturen unterhalb etwa 250°C, vorzugsweise unterhalb etwa 200°C ausgelegt. Außerdem ist der SCR-Nebenkatalysator zum Beispiel für Abgasmassenströme von etwa 10-20% jener des SCR-Hauptkatalysators ausgelegt. Dem entsprechend weist der SCR-Nebenkatalysator ein Volumen auf, welches vorzugsweise nur etwa 10-20% des SCR-Hauptkatalysatorvolumens beträgt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der SCR-Nebenkatalysator außerdem mit einer Stickoxid-Speicherbeschichtung versehen.

In einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die SCR-Katalysatoreinheit ferner eine Strömungsleiteinrichtung zum Leiten im Wesentlichen des gesamten Abgasmassenstroms durch den SCR-Hauptkatalysator bei geöffneter Sperrvorrichtung auf. Falls der SCR-Nebenkatalysator mit der Stickoxid-Speicherbeschichtung versehen ist, wird durch die Strömungsleiteinrichtung verhindert, dass die Abgasmassenströme mit sehr hohen Temperaturen durch den SCR-Nebenkatalysator strömen und die aufgeheizte Beschichtung dann das Reduktionsmittel oxidiert. Für den SCR-Nebenkatalysator kann daher in vorteilhafter Weise eine Beschichtung mit oxidationskatalytischer Wirkung gewählt werden. Die Strömungsleiteinrichtung kann zum Beispiel als ein festes Leitelement oder ein verstellbares Klappenelement ausgebildet sein.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Sperrvorrichtung durch die Steuervorrichtung durch Druckluft (insbesondere im Fall von Nutzfahrzeugen), durch elektrische Stellantriebe oder durch den Abgasgegendruck selbst betätigt.

Die Temperaturerfassungsvorrichtung für die Abgastemperatur kann stromauf, stromab und/oder innerhalb der SCR-Katalysatoreinheit angeordnet sein.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in üblicher Weise stromauf der SCR-Katalysatoreinheit eine Reduktionsmittelzugabevorrichtung zum Einspritzen eines Reduktionsmittels in den Abgasmassenstrom vorgesehen. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um eine Zugabevorrichtung für wässrige Harnstofflösung oder ein anderes, hinsichtlich der Stickoxidreduktion bei oxidierenden Bedingungen selektiv wirkendes Reduktionsmittel.

Das Abgasnachbehandlungsverfahren für eine Brennkraftmaschine mit einer SCR-Katalysatoreinheit zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die SCR-Katalysatoreinheit eine Parallelschaltung eines SCR-Hauptkatalysators und eines SCR-Nebenkatalysators aufweist, wobei der SCR-Hauptkatalysator für den kompletten Abgasmassenstrom durch die SCR-Katalysatoreinheit ausgelegt ist und der SCR-Nebenkatalysator für einen geringeren Abgasmassenstrom als der SCR-Hauptkatalysator ausgelegt ist; und dass der Abgasmassenstrom durch den SCR-Hauptkatalysator gesperrt wird, wenn die Abgastemperatur eine vorgegebene Temperatur unterschreitet, die mit einer Anspringtemperatur des SCR-Hauptkatalysators in Beziehung steht.

Als Maß für die Abgastemperatur wird eine Temperatur des Abgasmassenstroms durch die SCR-Katalysatoreinheit, ein Volumen des Abgasmassenstroms durch die SCR-Katalysatoreinheit, ein Lastzustand der Brennkraftmaschine oder dergleichen erfasst.

Der Abgasmassenstrom durch den SCR-Hauptkatalysator wird insbesondere gesperrt, wenn die Abgastemperatur die Anspringtemperatur des SCR-Hauptkatalysators unterschreitet. Und vorzugsweise wird oberhalb der vorgegebenen Temperatur im Wesentlichen der gesamte Abgasmassenstrom durch den SCR-Hauptkatalysator geleitet.

Mit diesem Verfahren werden ebenfalls die oben beschriebenen Wirkungen und Vorteile erzielt.

Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten, nicht-einschränkenden Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:

1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer SCR-Katalysatoreinheit gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und

2 ein schematisches Zeitverlaufsdiagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der SCR-Katalysatoreinheit von 1.

In 1 ist schematisch der Aufbau einer SCR-Katalysatoreinheit 10 einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Dieselbrennkraftmaschine eines Nutzfahrzeugs dargestellt. Die SCR-Katalysatoreinheit 10 besteht insbesondere aus einem gemeinsamen Gehäuse 11 mit einem stromaufwärtigen Abgaseintritt 12 und einem stromabwärtigen Abgasaustritt 14, in dem ein SCR-Hauptkatalysator 18 und ein SCR-Nebenkatalysator 20 parallel angeordnet sind. Stromauf der SCR-Katalysatoreinheit 10 ist in üblicher Weise eine Reduktionsmittelzugabevorrichtung (16) zum Beispiel zum Einspritzen einer wässrigen Harnstofflösung (HWL) in den Abgasmassenstrom vorgesehen, um Ammoniak als Reduktionsmittel für die Stickoxide bereitzustellen. Alternativ kann auch direkt gasförmiges Ammoniak oder Ammoniak in wässriger Lösung eingespritzt werden. Dem entsprechend sind der SCR-Hauptkatalysator 18 und der SCR-Nebenkatalysator 20 zur selektiven Reduktion von Stickoxiden unter oxidierenden Bedingungen unter Verwendung des diesbezüglich vorzugsweise selektiv wirkenden Reduktionsmittels ausgebildet. Die Katalysatoren 18, 20 sind vorzugsweise als so genannten Vollkatalysatoren oder als beschichtete Katalysatoren in Wabenkörperbauform ausgebildet.

Zum Erfassen der Abgastemperatur sind eine oder mehrere Temperaturerfassungsvorrichtungen 22-25 stromauf, stromab und/oder innerhalb der SCR-Katalysatoreinheit 10 angeordnet.

Anstelle einer direkten Messung der Abgastemperatur durch die Temperaturerfassungsvorrichtung(en) 22-25 ist es grundsätzlich auch möglich, als Maß für diese Abgastemperatur ein durch eine Volumenerfassungsvorrichtung erfasstes Volumen des Abgasmassenstroms durch die SCR-Katalysatoreinheit 10, einen durch eine Lasterfassungsvorrichtung erfassten Lastzustand der Brennkraftmaschine oder dergleichen heranzuziehen, da diese Größen in bestimmter wechselseitiger Beziehung zueinander stehen.

Der SCR-Hauptkatalysator 18 ist für den gesamten Abgasmassenstrom durch die SCR-Katalysatoreinheit 10 ausgelegt und besitzt eine übliche Anspringtemperatur von etwa 170-200°C. Der SCR-Nebenkatalysator 20 ist dagegen für deutlich geringere Abgasmassenströme, zum Beispiel von etwa 10-20% derjenigen des SCR-Hauptkatalysators 20 ausgelegt. Außerdem besitzt der SCR-Nebenkatalysator 20 eine niedrigere Anspringtemperatur als der SCR-Hauptkatalysator 18, er ist zum Beispiel für den Betrieb in einem Abgastemperaturbereich unterhalb etwa 200-250°C ausgelegt.

Der SCR-Nebenkatalysator 20 ist ferner vorzugsweise mit einer Beschichtung versehen, die Stickoxide speichern kann. Die Beschichtung ist vorzugsweise so ausgelegt, dass Stickoxide insbesondere bei niedrigen Temperaturen von beispielsweise weniger als 200°C gespeichert werden können. Im Falle eines temperaturbedingten niedrigen katalytischen Stickoxidumsatzes können somit Stickoxide durch Speicherung wenigstens teilweise aus dem Abgasstrom entfernt werden.

Vorzugsweise am Austritt des SCR-Hauptkatalysators 20, wahlweise aber auch an dessen Eintritt, ist weiter eine Sperrvorrichtung 26 zum Sperren des Abgasmassenstroms durch den SCR-Hauptkatalysator 18 bzw. Abschalten des SCR-Hauptkatalysators 18 angeordnet. Diese Sperrvorrichtung 26 wird durch eine elektronische Steuervorrichtung 28 in Abhängigkeit von der durch die Temperaturerfassungsvorrichtung(en) 22-25 gemessenen Abgastemperatur angesteuert. Die Betätigung der Sperrvorrichtung 26 selbst erfolgt bei Nutzfahrzeugen vorzugsweise mit Druckluft (wie in der Darstellung von 1 angedeutet), kann aber auch durch elektrische Stellantriebe oder eigenständig durch den Abgasgegendruck erfolgen.

Im Gegensatz dazu ist der SCR-Nebenkatalysator 20 nicht geschaltet bzw. immer geöffnet und kann daher immer von den Abgasen der Brennkraftmaschine durchströmt werden.

Stromauf des SCR-Hauptkatalysators 18 und des SCR-Nebenkatalysators 20 ist im Gehäuse 11 der SCR-Katalysatoreinheit 10 ferner eine Strömungsleiteinrichtung 30 in Form eines festen Leitelements (wie in 1 dargestellt) oder eines verstellbaren Klappenelements angeordnet.

Bei großen Abgasmassenströmen und geöffneter Sperrvorrichtung 26 wird durch diese Strömungsleiteinrichtung 30 im Wesentlichen der gesamte Abgasmassenstrom durch den SCR-Hauptkatalysator 18 geleitet, der für diese großen Abgasmassenströme dimensioniert ist. Hierdurch wird vermieden, dass die Stickoxid-Speicherbeschichtung des SCR-Nebenkatalysators 20 durch die Abgasmassenströme höherer Temperatur aufgeheizt wird und dann das Reduktionsmittel oxidiert. Bei niedriger Abgastemperatur, d.h. bei geschlossener Sperrvorrichtung 26, und geringen Abgasmassenströmen gelangen diese trotz der Strömungsleiteinrichtung 30 durch den SCR-Nebenkatalysator 20.

Wie bei herkömmlichen Abgasnachbehandlungsvorrichtung kann die SCR-Katalysatoreinheit 10 auch mit weiteren Katalysatoren und/oder Partikelfiltern zur Nachbehandlung der Abgase der Brennkraftmaschine kombiniert werden.

Es wird nun die Funktionsweise der SCR-Katalysatoreinheit 10 näher erläutert.

Der SCR-Hauptkatalysator 18 besitzt eine Anspringtemperatur, unterhalb der er nur wenige oder keine Stickoxide reduzieren kann. Die Abgastemperatur wird in dem System durch die Temperaturerfassungsvorrichtung(en) 22-25 ermittelt.

Wird bei einem dynamischen Betrieb der Brennkraftmaschine (z.B. bei Fahrten des Kraftfahrzeugs im Innenstadtbereich) eine Abgastemperatur erreicht, welche die Anspringtemperatur des SCR-Hauptkatalysators 18 oder eine um ein vorbestimmtes Maß höhere vorgegebene Temperatur unterschreitet, so wird die Brennkraftmaschine üblicherweise mit sehr niedriger Last betrieben, sodass auch die Abgasmassenströme gering sind. Typischerweise handelt es sich dabei um Betriebspunkte mit einer Motorlast bzw. Motordrehzahl, welche kleiner als etwa 20% der jeweiligen Nennwerte sind. In diesen Kennfeldbereichen mit niedriger Abgastemperatur und geringen Abgasmassenströmen wird die Sperrvorrichtung 26 durch die Steuervorrichtung 28 betätigt, d.h. geschlossen. Der gesamte Abgasmassenstrom strömt dann durch den SCR-Nebenkatalysator 20, der für diese geringeren Abgasmassenströme ausreichend dimensioniert ist.

Durch das Sperren bzw. Abschalten des SCR-Hauptkatalysators 18 bei niedrigen Abgastemperaturen wird ein Auskühlen des SCR-Hauptkatalysators 18 durch die hindurchströmenden Abgase vermieden. Wird die Brennkraftmaschine im dynamischen Betrieb später wieder bei höherer Last betrieben, sodass die Abgastemperatur in der SCR-Katalysatoreinheit 10 oberhalb der Anspringtemperatur des SCR-Hauptkatalysators 18 liegt bzw. zumindest oberhalb einer ggf. auch rechnerisch ermittelten SCR-Hauptkatalysatortemperatur, so wird die Sperrvorrichtung 28 durch die Steuervorrichtung 28 wieder geöffnet. Der SCR-Hauptkatalysator 18 ist, da er sich in der Zwischenzeit nicht oder nur unwesentlich abgekühlt hat, sofort wieder einsatzbereit, um die Stickoxide im Abgasmassenstrom reduzieren.

Das Sperren des SCR-Hauptkatalysators 18 bei niedrigen Abgastemperaturen bewirkt also, dass im dynamischen Betrieb der Brennkraftmaschine, wie beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug im Innenstadtbereich, der SCR-Hauptkatalysator 18 während der Hochlastphasen der Brennkraftmaschine aufgeheizt wird und sich in den Betriebsphasen der Brennkraftmaschine, die sehr niedrige Abgastemperaturen zeigen, nicht so weit abkühlt, dass er sich bei einer folgenden Hochlastphase erst wieder aufwärmen müsste, bis er seine Funktionsfähigkeit erreicht. Damit wird der Wirkungsgrad des Gesamtsystems im dynamischen Betrieb deutlich erhöht.

2 zeigt zur Verdeutlichung der oben beschriebenen Zusammenhänge einen beispielhaften zeitlichen Verlauf der Abgastemperatur und der Temperatur eines SCR-Katalysators 18 mit und ohne Sperrvorrichtung 26.

In einer ersten Phase 1 in 2 liegt die Abgastemperatur in der SCR-Katalysatoreinheit 10 zum Beispiel im Hochlastbetrieb der Brennkraftmaschine oberhalb der Anspringtemperatur des SCR-Hauptkatalysators 18. Die Sperrvorrichtung 26 ist geöffnet, die heißen Abgase strömen durch den SCR-Hauptkatalysator 18 und auch die Temperatur des SCR-Hauptkatalysators 18 liegt oberhalb seiner Anspringtemperatur, sodass er seine volle Funktionsfähigkeit zeigt.

Im dynamischen Betrieb der Brennkraftmaschine wird das Kraftfahrzeug in einer anschließenden Phase 2 bei niedriger Last betrieben. Die Abgastemperatur fällt unter die Anspringtemperatur des SCR-Hauptkatalysators 18, weshalb im Fall der vorliegenden Erfindung die Sperrvorrichtung 26 durch die Steuervorrichtung 28 geschlossen und der Abgasmassenstrom durch den SCR-Hauptkatalysator 18 gesperrt wird. Der SCR-Hauptkatalysator 18 kann so seine Temperatur im Wesentlichen unverändert halten, da Wärme ausschließlich durch Wärmeleitung und -Strahlung nach außen abgegeben wird.

In der Phase 3 wird die Anspringtemperatur des SCR-Hauptkatalysators 18 von der Abgastemperatur wieder überschritten. Die Sperrvorrichtung 26 wird geöffnet und der gesamte Abgasmassenstrom strömt wieder durch den SCR-Hauptkatalysator 18. Da die Temperatur des SCR-Hauptkatalysators 18 immer oberhalb seiner Anspringtemperatur liegt, ist er unmittelbar funktionsfähig und reduziert die Stickoxide im Abgasmassenstrom.

Zum Vergleich ist in 2 auch der Fall eines herkömmlichen SCR-Katalysators ohne Sperrvorrichtung dargestellt.

Wird in Phase 2 der SCR-Katalysator nicht geschlossen, so strömen die Abgase mit niedrigerer Temperatur weiter durch den SCR-Katalysator und seine Temperatur unterschreitet nach kurzer Zeit die Anspringtemperatur. Übersteigt die Abgastemperatur in Phase 3 wieder die Anspringtemperatur des SCR-Katalysators, so benötigt der herkömmliche SCR-Katalysator eine gewisse Zeit, bis seine Temperatur wieder die Anspringtemperatur erreicht. In dieser Zeit durchströmen die heißen Abgase zwar den SCR-Katalysator, dieser kann die Stickoxide aber noch nicht wirksam reduzieren, da seine Temperatur noch unterhalb der Anspringtemperatur liegt.


Anspruch[de]
Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, mit einer SCR-Katalysatoreinheit (10) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden mit einem Abgaseintritt (12) und einem Abgasaustritt (14),

dadurch gekennzeichnet, dass

die SCR-Katalysatoreinheit (10) aufweist:

– eine Parallelschaltung eines SCR-Hauptkatalysators (18) und eines SCR-Nebenkatalysators (20), wobei der SCR-Hauptkatalysator (18) für den kompletten Abgasmassenstrom durch die SCR-Katalysatoreinheit (10) ausgelegt ist und der SCR-Nebenkatalysator (20) für einen geringeren Abgasmassenstrom als der SCR-Hauptkatalysator (18) ausgelegt ist;

– eine Sperrvorrichtung (26) zum Sperren des Abgasmassenstroms durch den SCR-Hauptkatalysator (18); und

– eine Steuervorrichtung (28) zum Steuern des Betriebs der Sperrvorrichtung (26) derart, dass der Abgasmassenstrom durch den SCR-Hauptkatalysator (18) gesperrt wird, wenn die Abgastemperatur eine vorgegebene Temperatur unterschreitet, die mit einer Anspringtemperatur des SCR-Hauptkatalysators (18) in Beziehung steht.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrvorrichtung (26) am Eintritt oder am Austritt des SCR-Hauptkatalysators (18) vorgesehen ist. Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine Temperaturerfassungsvorrichtung (22-25) zum Erfassen einer Temperatur des Abgasmassenstroms durch die SCR-Katalysatoreinheit (10) vorgesehen ist. Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine Volumenerfassungsvorrichtung zum Erfassen eines Volumens des Abgasmassenstroms durch die SCR-Katalysatoreinheit (10) vorgesehen ist. Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine Lasterfassungsvorrichtung zum Erfassen eines Lastzustandes der Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der SCR-Nebenkatalysator (20) eine niedrigere Anspringtemperatur als der SCR-Hauptkatalysator (18) besitzt. Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der SCR-Nebenkatalysator (20) für Abgastemperaturen unterhalb etwa 250°C, vorzugsweise unterhalb etwa 200°C ausgelegt ist. Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der SCR-Nebenkatalysator (20) für Abgasmassenströme von etwa 10-20% jener des SCR-Hauptkatalysators (18) ausgelegt ist. Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der SCR-Nebenkatalysator (20) mit einer Stickoxid-Speicherbeschichtung versehen ist. Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die SCR-Katalysatoreinheit (10) ferner eine Strömungsleiteinrichtung (30) zum Leiten im Wesentlichen des gesamten Abgasmassenstroms durch den SCR-Hauptkatalysator (18) bei geöffneter Sperrvorrichtung (26). Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleiteinrichtung (30) als ein festes Leitelement oder ein verstellbares Klappenelement ausgebildet ist. Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrvorrichtung (26) durch die Steuervorrichtung (28) durch Druckluft, durch elektrische Stellantriebe oder durch einen Abgasgegendruck betätigt wird. Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerfassungsvorrichtung (22-25) stromauf, stromab und/oder innerhalb der SCR-Katalysatoreinheit (10) angeordnet ist. Abgasnachbehandlungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf der SCR-Katalysatoreinheit (10) eine Reduktionsmittelzugabevorrichtung (16) zum Zugeben eines Reduktionsmittels in den Abgasmassenstrom vorgesehen ist. Abgasnachbehandlungsverfahren für eine Brennkraftmaschine mit einer SCR-Katalysatoreinheit (10) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden, dadurch gekennzeichnet, dass die SCR-Katalysatoreinheit (10) eine Parallelschaltung eines SCR-Hauptkatalysators (18) und eines SCR-Nebenkatalysators (20) aufweist, wobei der SCR-Hauptkatalysator (18) für den kompletten Abgasmassenstrom durch die SCR-Katalysatoreinheit (10) ausgelegt ist und der SCR-Nebenkatalysator (20) für einen geringeren Abgasmassenstrom als der SCR-Hauptkatalysator (18) ausgelegt ist; und der Abgasmassenstrom durch den SCR-Hauptkatalysator (18) gesperrt wird, wenn die Abgastemperatur eine vorgegebene Temperatur unterschreitet, die mit einer Anspringtemperatur des SCR-Hauptkatalysators (18) in Beziehung steht. Abgasnachbehandlungsverfahren für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur des Abgasmassenstroms durch die SCR-Katalysatoreinheit (10) als Maß für die Abgastemperatur erfasst wird. Abgasnachbehandlungsverfahren für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumen des Abgasmassenstroms durch die SCR-Katalysatoreinheit (10) als Maß für die Abgastemperatur erfasst wird. Abgasnachbehandlungsverfahren für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lastzustand der Brennkraftmaschine als Maß für die Abgastemperatur erfasst wird. Abgasnachbehandlungsverfahren für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasmassenstrom durch den SCR-Hauptkatalysator (18) gesperrt wird, wenn die Abgastemperatur die Anspringtemperatur des SCR-Hauptkatalysators (18) unterschreitet. Abgasnachbehandlungsverfahren für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb der vorgegebenen Temperatur im Wesentlichen der gesamte Abgasmassenstrom durch den SCR-Hauptkatalysator (18) geleitet wird. Abgasnachbehandlungsverfahren für eine Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Abgasmassenstroms stromauf, stromab und/oder innerhalb der SCR-Katalysatoreinheit (10) erfasst wird.






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