DE102013003701A1

DE102013003701A1 - Verfahren zur Steuerung einer Regeneration eines Partikelfilters sowie einer zur Ausführung des Verfahrens ausgebildete Abgasanlage

Info

Publication number: DE102013003701A1
Application number: DE201310003701
Authority: DE
Inventors: Lars Schlüter; Stefan PAUKNER
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2013-03-04
Filing date: 2013-03-04
Publication date: 2014-09-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Regeneration eines Partikelfilters (18) einer Abgasanlage (10) einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine (12), wobei dem Partikelfilter (18) ein zumindest zur Konvertierung von Stickoxiden (NO_x) ausgebildeter Katalysator (20) nachgeschaltet ist. Die Erfindung betrifft ferner eine zur Ausführung des Verfahrens eingerichtete Abgasanlage.
Es ist vorgesehen, dass während der Regeneration des Partikelfilters (18) ein Luftverhältnis der Brennkraftmaschine (12) auf einen mageren Lambdawert eingestellt wird und stromauf des nachgeschalteten Katalysators (20) dem Abgas der Brennkraftmaschine (12) ein Kohlenwasserstoff zugeführt wird, so dass in dem nachgeschalteten Katalysator (20) eine Konvertierung von Stickoxiden erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Regeneration eines in einer Abgasanlage einer fremdgezündete Brennkraftmaschine (Ottomotor) angeordneten Partikelfilters. Die Erfindung betrifft ferner eine Abgasanlage, die zur Ausführung des Verfahrens eingerichtet ist.
In dem Bestreben, Schadstoffemissionen von Brennkraftmaschinen zu senken, werden üblicherweise motorische Maßnahmen zu Verminderung der Rohemissionen ergriffen. Um die dennoch nicht vollständig vermeidbaren Rohemissionen effektiv nachmotorisch umzusetzen, werden darüber hinaus Katalysatoren und andere Abgasreinigungskomponenten in den Abgasanlagen verbaut. Katalysatoren umfassen einen vom Abgas durchströmbaren Träger, zum Beispiel einen keramischen Monolithen oder Metallträger, mit einer, ein katalytisch aktives Material enthaltenden Beschichtung. Das katalytische Material bestimmt sich nach Art der umzusetzenden Schadstoffe. Oxidationskatalysatoren konvertieren gezielt unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) sowie Kohlenmonoxid (CO). Reduktionskatalysatoren, die Stickoxide (NO_x) umsetzen, kommen bei Dieselmotoren und vorwiegend mager betriebenen Ottomotoren zum Einsatz. Darüber hinaus sind Drei-Wege-Katalysatoren bekannt, welche die Funktion von Oxidations- und Reduktionskatalysatoren vereinen und somit alle drei Komponenten katalytisch umsetzen. Da Drei-Wege-Katalysatoren ihre Konvertierungsleistung bezüglich aller drei Komponenten nur bei einem stöchiometrischen Luftverhältnis von λ = 1 erbringen, werden sie hauptsächlich bei vorwiegend stöchiometrisch betriebenen Ottomotoren eingesetzt.
Neben den gasförmigen Schadstoffen in verbrennungsmotorischen Abgasen stehen auch partikuläre Bestandteile des Abgases (Ruß) im Fokus der Abgasnachbehandlungstechnologien. Dies gilt bereits seit langem für Dieselmotoren, während die Partikelentfernung aus ottomotorischen Abgasen erst in jüngerer Zeit diskutiert wird. So schreibt die kommende europäische Abgasnorm Euro 6 erstmalig einen Grenzwert für die Partikelanzahl (PN) für Ottomotoren vor. Dies wird zur Folge haben, dass in vielen Kraftfahrzeugmodellen der Einsatz eines Ottopartikelfilters (OPF) erforderlich sein kann. Grundsätzlich weisen Ottopartikelfilter den gleichen Aufbau wie Dieselpartikelfilter (DPF) auf.
Wenn auch in wesentlich geringerem Umfang als bei Dieselmotoren, erfolgt auch im Fahrbetrieb von Ottomotoren eine Beladung des Filters mit Ruß (Ottoruß). Damit der Abgasgegendruck nicht zu weit ansteigt, muss der Partikelfilter kontinuierlich oder periodisch regeneriert werden. Dies erfolgt insbesondere im Wege einer thermischen Oxidation der Rußpartikel, wozu neben einem ausreichenden Temperaturniveau gleichzeitig das Vorliegen eines ausreichenden Restsauerstoffgehalts im Abgas erforderlich ist. Da moderne Ottomotoren normalerweise ohne Sauerstoffüberschuss betrieben werden, nämlich bei einem im Wesentlichen stöchiometrischen Luftverhältnis (λ = 1), sind zur Bereitstellung des Sauerstoffs besondere Maßnahmen erforderlich. Hier kommen insbesondere die Magerverstellung des Motors (λ > 1) oder die Eindüsung von Sekundärluft in die Abgasanlage stromauf des Partikelfilters in Frage. Vorteil der Magerverstellung ist, dass dieses Verfahren keine zusätzlichen Bauteile erfordert und in den meisten Betriebspunkten ausreichende Sauerstoffmengen liefern kann. Jedoch können die im mageren Abgas vorhandenen Stickoxide (NO_x) durch den bei stöchiometrisch betriebenen Ottomotoren verbauten Drei-Wege-Katalysator nicht oder nicht ausreichend konvertiert werden.
Aus DE 42 21 363 A1 ist eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Dieselmotor bekannt, welche einen porösen Körper, insbesondere in Form eines keramischen Filters oder porösen Metallfilters, aufweist und eine poröse Keramikpulverbeschichtung trägt. Vorzugsweise weist die Beschichtung ferner einen Katalysator auf, der zumindest ein Alkalielement sowie zumindest ein Seltenerdenelement und/oder zumindest ein Element der Gruppe Cu, Co, Mn und V enthält. Stromauf der Abgasreinigungsvorrichtung ist eine Einsprühdüse zur Zudosierung eines flüssigen Kohlenwasserstoffs, insbesondere von Dieselkraftstoff, angeordnet. Durch die Abgasreinigungsvorrichtung sollen Stickoxide des mageren Abgases mit dem zugeführten Kohlenwasserstoff umgesetzt werden. Zu diesem Zweck wird die zudosierte Kohlenwasserstoffmenge in Abhängigkeit von der im Abgas vorhandenen NO_x-Menge bemessen.
DE 10 2010 039 013 A1 schlägt eine Abgasanlage für einen Ottomotor vor, die einen Partikelfilter sowie einen nachgeschalteten Drei-Wege-Katalysator aufweist. Stromauf des Partikelfilters und stromab des Drei-Wege-Katalysators ist jeweils eine Lambdasonde angeordnet. Mittels der hinteren Lambdasonde wird während einer Regernation des Partikelfilters ein motorischer Lambdawert von λ = 1 eingeregelt. Dabei soll der im stöchiometrischen Abgas vorhandene Restsauerstoffanteil von 0,5 bis 0,7% ausreichen, um die oxidative Regeneration des Partikelfilters aufrechtzuerhalten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung einer Regeneration eines Partikelfilters eines Ottomotors bereitzustellen, das mit einem geringen konstruktiven Aufwand ausführbar ist und zudem eine flexible Steuerung des motorischen Luftverhältnisses erlaubt, beispielsweise zum Schutz vor Überhitzung.
Das erfindungsgemäße Verfahren bezieht sich auf die Steuerung einer Regeneration eines Partikelfilters (Ottopartikelfilter) einer Abgasanlage einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine (Ottomotor), wobei dem Partikelfilter ein zumindest zur Konvertierung von Stickoxiden (NO_x) ausgebildeter Katalysator nachgeschaltet ist. Das Verfahren sieht vor, während der Regeneration des Partikelfilters ein Luftverhältnis der Brennkraftmaschine auf einen mageren Lambdawert von λ > 1 einzustellen und stromauf des nachgeschalteten Katalysators dem Abgas der Brennkraftmaschine einen Kohlenwasserstoff zuzuführen, so dass in dem nachgeschalteten Katalysator eine Konvertierung von Stickoxiden erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht somit die motorische Bereitstellung eines ausreichenden Sauerstoffgehalts des Abgases zur thermischen oxidativen Regeneration des Partikelfilters vor. Dieses motorische Verfahren wird durch eine außermotorische Maßnahme ergänzt, nämlich durch die Zudosierung von Kohlenwasserstoff stromauf des nachgeschalteten Katalysators, um somit die Konvertierung von Stickoxiden des mageren motorischen Abgases zu ermöglichen. Auf diese Weise werden sämtliche, während der Regeneration emittierte, gesetzlich limitierte Schadstoffe wirkungsvoll nachbehandelt. Zudem erfordert die Zuführung von Kohlenwasserstoff in das Abgas einen vergleichsweise geringen konstruktiven Mehraufwand. Da die für die Konvertierung von Stickoxiden im nachgeschalteten Katalysator zugeführte Reduktionsmittelmenge an den motorischen Betrieb angepasst werden kann, erlaubt das Verfahren eine deutlich höhere Flexibilität und Regelgüte der motorischen Lambdaregelung gegenüber bekannten Verfahren.
Vorzugsweise wird dem Abgas ein flüssiger Kohlenwasserstoff zugeführt. Flüssige Kohlenwasserstoffe haben gegenüber gasförmigen den Vorteil, keine Druckbehälter zu erfordern, und sind zudem einfacher förder- und dosierbar. Bei dem zugeführten Kohlenwasserstoff handelt es sich vorzugsweise um den Kraftstoff, mit dem die Brennkraftmaschine betrieben wird. Auf diese Weise erübrigt sich ein zusätzlicher Tank für einen zusätzlichen Betriebsstoff des Systems.
Vorzugsweise ist der zumindest zur Konvertierung von Stickoxiden ausgebildete Katalysator ein Drei-Wege-Katalysator. Diese Ausgestaltung ist insofern vorteilhaft, da bei überwiegend stöchiometrisch betriebenen Ottomotoren zur Abgasreinigung ohnehin zumeist ein Drei-Wege-Katalysator vorhanden ist. Somit erfordert die katalytische Umsetzung der Stickoxide bei der mageren Regeneration des Partikelfilters keinen zusätzlichen Katalysator. Vielmehr deckt der ohnehin verbaute Drei-Wege-Katalysator den gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine ab, einschließlich die Regenerationsphasen.
Die Bemessung der zugeführten Kohlenwasserstoffmenge während der Regeneration des Partikelfilters erfolgt so, dass der nachgeschaltete Katalysator eine gewünschte Konvertierungsleistung zumindest bezüglich der Stickoxide erbringt. Im Falle eines nachgeschalteten Drei-Wege-Katalysators erfolgt die Bemessung der zugeführten Kohlenwasserstoffmenge vorzugsweise so, dass vor bzw. in dem Drei-Wege-Katalysator ein im Wesentlichen stöchiometrisches Luftverhältnis vorliegt. Bei einem stöchiometrischen Luftverhältnis von λ = 1, weisen Drei-Wege-Katalysatoren ihre höchste Konvertierungsleistung bezüglich der drei limitierten gasförmigen Abgaskomponenten – Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) sowie Stickoxide (NO_x) – auf.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Regelung der zugeführten Kohlenwasserstoffmenge mittels einer dem Katalysator nachgeschalteten Lambdasonde. Somit wird die Regelgröße des gewünschten Luftverhältnisses, beispielsweise eines stöchiometrischen Luftverhältnisses, über die Kohlenwasserstoffmenge als Stellgröße der Regelstrecke geregelt, wobei das tatsächlich vorliegende Ist-Luftverhältnis durch die Lambdasonde erfasst und rückgekoppelt wird. Grundsätzlich kann die Lambdasonde für die Regelung des Luftverhältnisses auch zwischen der Zuführungsstelle des Kohlenwasserstoffs und dem Katalysator angeordnet sein. Jedoch ist dieses nicht bevorzugt, da vor dem Katalysator eine homogene Verteilung des Kohlenwasserstoffs im Abgas schwer zu erzielen ist. Da dem Katalysator zum Zweck seiner Überwachung im Wege der On-Board-Diagnose häufig ohnehin eine Lambdasonde nachgeschaltet ist, kann diese ohne konstruktiven Mehraufwand im erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung der Kohlenwasserstoffmenge eingesetzt werden.
Eine Vorsteuerung der zugeführten Kohlenwasserstoffmenge, beispielsweise wenn die nachgeschaltete Lambdasonde ihre Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat, oder auch während der bereits erfolgenden Lambdaregelung zur Vorgabe eines Vorsteuerwerts, erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit der Parameter Abgasmassenstrom und Lambdawert stromab des Partikelfilters. Der Lambdawert stromab des Partikelfilters wird vorzugsweise mit einer weiteren Lambdasonde, die hinter dem Partikelfilter, jedoch vor der Zuführungsstelle des Kohlenwasserstoffs angeordnet ist, ermittelt. Der Vorsteuerwert der Kohlenwasserstoffmenge wird in diesem Fall aus gespeicherten Kennfeldern gelesen, die die erforderliche Kohlenwasserstoffmenge in Abhängigkeit von dem Abgasmassenstrom und dem Lambdawert abbilden, oder durch eine Berechnung der Werte aus Lambda und Abgasmassenstrom.
In besonders bevorzugter Ausführung der Erfindung wird ein Verlauf der Regeneration des Partikelfilters anhand der stromauf und stromab des Partikelfilters vorliegenden Luftverhältnisse (Lambdawerte) überwacht. Aus den Lambdasignalen vor und nach dem Partikelfilter, welche durch entsprechend verbaute Lambdasonden erfasst werden können, und optional zusätzlich aus der Stellgröße der Kohlenwasserstoffdosierung lässt sich die dynamische Umsatzrate der Rußpartikeloxidation und/oder die insgesamt während der Regeneration umgesetzte Partikelmasse und/oder der Beginn und/oder das Ende der Regeneration bestimmen. Dies ermöglicht beispielsweise nach dem Regenerationsende ein rechtzeitiges Umschalten der Brennkraftmaschine auf ihr übliches, insbesondere stöchiometrisches Luftverhältnis und vermeidet einen unnötig langen Magerbetrieb der Brennkraftmaschine.
Zudem ermöglicht die Überwachung des Regenerationsverlaufs die sichere Vermeidung von Zuständen, bei welchen gasförmige Schadstoffe das Endrohr der Abgasanlage unkonvertiert verlassen könnten. Des weiteren erlaubt die Überwachung des Regenerationsverlaufs die Einleitung von Bauteilschutzmaßnahmen selbst bei hohen Rußbeladungen zu jeder Zeit der Regeneration. So ist in bevorzugter Ausführung vorgesehen, dass bei Überschreitung einer kritischen Umsatzrate im Partikelfilter während der Regeneration das Luftverhältnis der Brennkraftmaschine gesenkt wird, vorzugsweise auf einen stöchiometrischen Lambdawert von λ = 1. Auf diese Weise können thermische Schädigungen des Partikelfilters und/oder des nachgeschalteten Katalysators aufgrund der hohen Exothermie des Partikelabbrands verhindert werden.
Jedoch können auch bei niedrigen Umsatzraten im Partikelfilter während seiner Regeneration hohe Temperaturen im nachgeschalteten Katalysator entstehen, die durch die freigesetzte Wärmemenge bei dem katalytischen Umsatz der zugeführten Kohlenwasserstoffe erzeugt werden. Um einer solchen Überhitzung des Katalysators entgegenzuwirken, sieht eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung vor, dass bei Überschreitung einer kritischen Temperatur des nachgeschalteten Katalysators ebenfalls das Luftverhältnis der Brennkraftmaschine gesenkt wird, insbesondere auf einen stöchiometrischen Lambdawert von λ = 1. Da die Anfettung des motorischen Lambdawerts eine Absenkung der zugeführten Kohlenwasserstoffe vor dem nachgeschalteten Katalysator auslöst, werden somit der katalytische Umsatz im Katalysator und damit die freigesetzte Wärmemenge reduziert.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Abgasanlage, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Die Abgasanlage für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine umfasst einen Partikelfilter sowie einen diesem nachgeschalteten, zumindest zur Konvertierung von Stickoxiden ausgebildeten Katalysator, wobei stromauf des Katalysators eine Vorrichtung zur Zuführung von Kohlenwasserstoff in das Abgas angeordnet ist. Die Abgasanlage umfasst ferner eine Steuereinrichtung, die eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise in die ohnehin vorhandene Motorsteuerung integriert.
Zur Steuerung des Verfahrens umfasst die Abgasanlage vorzugsweise eine oder mehrere in der Abgasanlage angeordnete Lambdasonden, insbesondere eine erste, stromauf des Partikelfilters angeordnete Lambdasonde und/oder eine zweite, stromab des Partikelfilters und stromauf der Vorrichtung zur Zuführung des Kohlenwasserstoffs angeordnete Lambdasonde und/oder eine dritte, stromab des Katalysators angeordnete Lambdasonde. Grundsätzlich können als Lambdasonden Sprungantwortlambdasonden oder Breitbandlambdasonden verwendet werden. Bevorzugt kommen hier Breitbandlambdasonden zum Einsatz. Vorteil solcher Breitbandlambdasonden, die eine Kennlinie ohne Sprung aufweisen, ist, dass sie eine Lambdaregelung auch im nichtstöchiometrischen Betrieb erlauben, während Sprungantwortlambdasonden lediglich im Bereich um λ = 1 ein verwertbares Signal liefern.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Fahrzeug, das eine Brennkraftmaschine sowie eine strömungstechnisch mit dieser verbundenen Abgasanlage gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.
Bei der Brennkraftmaschine handelt es sich vorzugsweise um einen im Wesentlichen stöchiometrisch betriebenen Ottomotor.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch eine Abgasanlage gemäß einer ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung und
2 schematisch eine Abgasanlage gemäß einer zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt eine insgesamt mit 10 bezeichnete Abgasanlage, die strömungstechnisch mit einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine (Ottomotor) 12 verbunden ist. Bei der Brennkraftmaschine 12 handelt es sich vorzugsweise um eine im Normalbetrieb im Wesentlichen stöchiometrisch, das heißt mit einem Luftverhältnis von λ = 1, betriebenen Brennkraftmaschine. Dabei wird unter „im Wesentlichen stöchiometrisch betrieben” verstanden, dass die Brennkraftmaschine in mindestens 50% aller Betriebspunkte ihres Betriebskennfeldes mit einem Luft-Kraftstoffverhältnis von λ = 1 betrieben wird, insbesondere in mindestens 70% oder sogar mindestens 80% aller Betriebspunkte. Dies schließt nicht aus, dass in einzelnen Betriebssituationen, beispielsweise bei einem Motorstart oder eben während der Partikelfilterregeneration, die Brennkraftmaschine 12 auch außerhalb des stöchiometrischen Bereichs mit einem fetten Luftverhältnis mit λ < 1 oder einem mageren Luftverhältnis mit λ > 1 betrieben wird. Die Brennkraftmaschine 12 dient vorzugsweise als Antriebsquelle für ein hier mit 14 angedeutetes Fahrzeug.
Die Abgasanlage 10 umfasst einen Abgaskanal 16, der mit den Zylindern der Brennkraftmaschine 12, insbesondere mit deren Auslasskanälen, strömungstechnisch in Verbindung steht und somit das Abgas der Brennkraftmaschine 12 aufnimmt. In dem Abgaskanal 16 ist ein Partikelfilter, insbesondere ein Ottopartikelfilter (OPF) 18 angeordnet. Der Partikelfilter 18 weist grundsätzlich einen vergleichbaren Aufbau wie bekannte Dieselpartikelfilter (DPF) auf. Insbesondere umfasst er ein poröses, üblicherweise keramisches Substrat, das eine Vielzahl von axialen, parallel angeordneten Strömungskanälen aufweist. Dabei ist ein Teil der Strömungskanäle eingangsseitig geschlossen und der andere Teil ausgangsseitig geschlossen. Die eingangsseitig geschlossenen und ausgangsseitig geschlossenen Strömungskanäle sind wechselseitig angeordnet. Somit tritt das von der Brennkraftmaschine 12 kommende Abgas in die ausgangsseitig geschlossenen und eingangsseitig geöffneten Strömungskanäle des Partikelfilters 18 ein. Das Abgas wird gezwungen, durch die porösen Wandstrukturen der Kanäle zu strömen, wobei partikuläre Bestandteile des Abgases auf und in den porösen Wandstrukturen zurückgehalten werden. Von dort tritt das Abgas in die ausgangsseitig geöffneten und eingangsseitig geschlossenen Strömungskanäle, um den Partikelfilter 18 nachfolgend zu verlassen. Die vorstehend geschilderte Ausgestaltung des Partikelfilters 18 wird auch als Wandstromfilter (Wallflow-Filter) bezeichnet.
Optional kann der Partikelfilter 18 eine sogenannte Washcoat-Beschichtung aufweisen. Der Washcoat besteht aus einem keramischen Material mit großer Oberfläche, beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirkoniumoxid (Zr₂O₃), Titanoxid (TiO₂) oder anderen. Der Washcoat dient als Sauerstoffspeicher (OSC für Oxygen storage capacity) für Diagnosezwecke. Weiterhin optional kann die Washcoat-Beschichtung mit einem katalytischen Material beladen sein, insbesondere mit einem Edelmetall. Die katalytisch aktive Komponente liegt in einer möglichst feinpartikulären Verteilung auf dem Washcoat geträgert vor, um eine möglichst große katalytische Oberfläche zu bieten. Vorzugsweise kann hier eine katalytische Drei-Wege-Beschichtung vorhanden sein. Im Falle einer drei-wege-katalytischen Beschichtung umfasst das katalytische Material eine Kombination der Edelmetalle Platin, Palladium und/oder Rhodium, insbesondere eine Kombination aus Pt und Rh oder aus Pd und Rh, wobei Platin beziehungsweise Palladium die Umsetzung von HC und CO katalysieren und Rh die Umsetzung von NO_x.
Die Abgasanlage 10 umfasst ferner einen dem Partikelfilter 18 nachgeschalteten Katalysator 20, bei dem es sich vorzugsweise um einen Drei-Wege-Katalysator handelt. Der Katalysator 20 weist ein Durchflusssubstrat auf, umfassend eine Vielzahl beidseitig geöffneter paralleler Strömungskanäle. Das Durchflusssubstrat kann in bekannter Weise als Metallsubstrat, vorzugsweise jedoch als keramisches Substrat vorliegen. Das Durchflusssubstrat des Katalysators 20 weist ebenfalls eine Washcoat-Beschichtung auf, die mit einem katalytischen Material beladen ist. Das katalytische Material ist im Falle eines Drei-Wege-Katalysators geeignet, die Abgasbestandteile Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoff (HC) sowie Stickoxide (NO_x) umzusetzen. Zu diesem Zweck weist sie, wie bereits ausgeführt, vorzugsweise eine Kombination der Edelmetalle Platin und Rhodium oder Palladium und Rhodium auf.
Stromab des Partikelfilters 18 und stromauf des nachgeschalteten Katalysators 20 ist eine Dosiervorrichtung 22 zur Zuführung eines vorzugsweise flüssigen Kohlenwasserstoffs in dem Abgaskanal 16 und somit in das Abgas angeordnet. Die Dosiervorrichtung 22 ist insbesondere als ein Injektor für flüssige Kohlenwasserstoffe (HCl) ausgebildet. Bei dem zugeführten Kohlenwasserstoff handelt es sich insbesondere um den gleichen Kraftstoff, mit dem die Brennkraftmaschine 12 betrieben wird, also um einen Ottokraftstoff (Benzin). Nicht dargestellt in
1 sind die Zuleitung von dem Kraftstofftank zu der Dosiervorrichtung 22 sowie entsprechende Förder- und Stellmittel für die Dosierung.
Ferner weist die Abgasanlage 10 eine geeignete Sensorik auf, mit der verschiedene Parameter des Abgases, beispielsweise Konzentrationen bestimmter Abgaskomponenten, die Temperatur des Abgases und/oder der verschiedenen Bauteile des Systems oder der Abgasdruck erfasst werden können. Insbesondere weist diese Sensorik eine erste Lambdasonde 24 auf, die an einer motornahen Position der Abgasanlage 10 vor dem Partikelfilter 18 angeordnet ist. Ferner ist eine zweite Lambdasonde 26 stromab des Partikelfilters 18 und stromauf der Dosiervorrichtung 22 installiert. Eine dritte Lambdasonde 28 ist stromab des Drei-Wege-Katalysators 20 vorgesehen. Die Lambdasonden 24, 26, 28 messen einen Sauerstoffanteil des Abgases. Insbesondere handelt es sich hier um Breitbandlambdasonden, die eine stetige Kennlinie in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration ohne Sprungstellen aufweisen. Die erste Lambdasonde 24 dient in bekannter Weise der Regelung des Luftverhältnisses, mit dem die Brennkraftmaschine 12 betrieben wird. Ferner dient sie zusammen mit der zweiten Lambdasonde 26 der Bilanzierung des Sauerstoffumsatzes im Partikelfilter 18 während seiner Regeneration. Die dritte Lambdasonde 28 dient der On-Board-Katalysatordiagnostik des Katalysators 20 und wird ebenfalls im Rahmen der Steuerung der Partikelfilterregeneration eingesetzt. Ferner kann die Abgasanlage 10 einen oder mehrere Drucksensoren aufweisen, insbesondere jeweils einen Drucksensor stromauf und stromab des Partikelfilters 18 (nicht dargestellt). Eine solche Anordnung erlaubt die Erfassung des Druckabfalls über den Partikelfilter 18 und somit die Erfassung des zunehmenden Abgasgegendrucks in Folge seiner Partikelbeladung. Die Signale sämtlicher Sensoren gehen in eine Steuereinrichtung 32 ein, welche die Steuerung einer Regeneration des Partikelfilters 18 steuert. Insbesondere steuert die Steuereinrichtung 32 die Dosiereinrichtung 22 zur Zuführung flüssiger Kohlenwasserstoffe in Abhängigkeit von den Signalen.
Die Abgasanlage 10 kann weitere Komponenten zur Abgasnachbehandlung enthalten, beispielsweise einen weiteren Drei-Wege-Katalysator, insbesondere als motornah angeordneten Vorkatalysator, oder einen HC-Adsorber.
Die Abgasanlage 10 weist ferner eine Abgasturbine 30 auf, die Teil eines hier nicht weiter dargestellten Abgasturboladers ist.
2 zeigt eine Abgasanlage nach einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Hier sind übereinstimmende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 dargestellt und werden daher nicht nochmalig erläutert.
Die Abgasanlage 10 der 2 unterscheidet sich von der Abgasanlage 10 aus 1 in der Anordnung des Partikelfilters 18. Insbesondere ist in dieser Ausgestaltung der Partikelfilter 18 an einer motornahen Position angeordnet. Vorteil dieser Anordnung ist, dass der Partikelfilter 18 mit einem Abgas mit höherem Temperaturniveau beaufschlagt wird. Auf diese Weise kann die für seine Regeneration erforderliche Temperatur schneller und öfter im Fahrbetrieb erreicht werden. Der nachgeschaltete Katalysator 20 befindet sich demgegenüber auf einer Unterbodenposition des Fahrzeuges 14, welche üblicherweise mehr Bauraum für die Unterbringung bietet.
Die in den 1 oder 2 gezeigte Abgasanlage 10 weist folgende Funktionen auf:
Im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine 12, also üblicherweise bei einem stöchiometrischen Luftkraftstoffverhältnis mit λ = 1, wird der Partikelfilter 18 allmählich mit Ottoruß beladen. Der Grad der Beladung des Partikelfilters 18 wird vorzugsweise durch Messung des Druckabfalls über den Partikelfilter 18 mittels der bereits erwähnten Drucksensoren ermittelt. Sofern diese das Erreichen eines unzulässigen Abgasgegendrucks anzeigen, stellt die Steuereinrichtung 32 eine Notwendigkeit zur Regeneration des Partikelfilters 18 fest. Alternativ kann die Beladung des Partikelfilters 18 über geeignete Rechenmodelle durch die Steuereinrichtung 32 modelliert werden. Zu diesem Zweck enthält die Steuereinrichtung 32 gespeicherte Kennfelder, welche die Rußemission der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von Betriebspunktparametern, insbesondere von Motorlast und Motordrehzahl, darstellen.
Nach Feststellung einer Regenerationsnotwendigkeit des Partikelfilters 18 wird die Temperatur des Partikelfilters 18 geprüft, da die Regeneration eine bestimmte Mindesttemperatur zur Auslösung des oxidativen Partikelabbrands erfordert. Die Partikelfiltertemperatur kann beispielsweise mittels eines Temperaturfühlers, welcher die Abgas- oder Filtertemperatur misst, erfasst werden. Alternativ kann die Partikelfiltertemperatur durch ein geeignetes betriebspunktabhängiges Modell durch die Steuereinrichtung 32 modelliert werden. Sofern im Fahrbetrieb des Fahrzeugs 14 eine Betriebssituation vorliegt, die ausreichend hohe Abgastemperaturen darstellt, werden motorische Maßnahmen zur Erhöhung des Restsauerstoffgehalts des Abgases ergriffen. Falls im Fahrbetrieb eine solche Situation nicht auftritt, kann die Abgastemperatur durch zusätzliche Maßnahmen erhöht werden, beispielsweise durch Spätzündung der Brennkraftmaschine 12. Alternativ ist der Partikelfilter 18 mit einer insbesondere elektrischen Heizeinrichtung ausgestattet.
Sobald auf die eine oder andere Weise das Vorliegen einer ausreichenden Temperatur des Partikelfilters 18 festgestellt wurde, wird die Brennkraftmaschine 12 auf einen Magerbetrieb umgeschaltet. Dies erfolgt insbesondere durch Reduzierung der den Zylindern zugeführten Kraftstoffmenge und/oder durch Öffnung einer im Luftansaugkanal angeordneten Drosselklappe. Die Vorbestimmung des Lambdawerts der Brennkraftmaschine 12 während des Regenerationsbetriebs erfolgt unter Berücksichtigung der Zündgrenze und der Laufruhe der Brennkraftmaschine 12. Insbesondere wird das Luftverhältnis so mager wir möglich eingestellt, ohne dass die Zündgrenze erreicht wird oder die Laufunruhe einen unzulässigen Wert erreicht. Ein geeigneter Lambdawert liegt typischerweise im Bereich von 1,05 bis 1,2, beispielsweise bei 1,1. Die Regelung der Brennkraftmaschine 12 auf den gewünschten mageren Lambdawert erfolgt durch die Lambdasonde 24. In Folge des nun erhöhten Restsauerstoffanteils im Abgas sowie der hohen Temperaturen im Partikelfilter 18 wird die thermische Oxidation der im Partikelfilter 18 angesammelten Rußpartikel ausgelöst.
Die im mageren Abgas vorhandenen Stickoxide können im Drei-Wege-Katalysator 20 nicht oder nicht vollständig umgesetzt werden. Aus diesem Grund erfolgt im Wesentlichen gleichzeitig mit der Magerumstellung der Brennkraftmaschine eine Zudosierung des flüssigen Kohlenwasserstoffs (Kraftstoff) mittels der Dosiervorrichtung 22. Dabei wird die Menge der zudosierten Kohlenwasserstoffe so bemessen, dass im Drei-Wege-Katalysator 20 ein stöchiometrisches Luftverhältnis mit λ = 1 vorliegt. Die Einstellung des gewünschten Luftverhältnisses im Katalysator 20 erfolgt mittels der dem Katalysator 20 nachgeschalteten Lambdasonde 28. Die Steuereinrichtung 32 ermittelt den Vorsteuerwert für die zugeführte Kohlenwasserstoffmenge in Abhängigkeit des mittels der Lambdasonde 26 hinter dem Partikelfilter 18 gemessenen Luftverhältnisses sowie dem Abgasmassenstrom. Letzterer kann gemessen oder ebenfalls Betriebspunktabhängig modelliert werden. Zwar ist eine reine Vorsteuerung der mittels der Dosiervorrichtung 22 zugeführten Kohlenwasserstoffmenge möglich, jedoch ist die Regelung mittels der Lambdasonde 28 bevorzugt, da somit eine höhere Regelungsgüte des Lambdawerts und somit geringere Schadstoffemissionen ermöglicht wird.
Während der Regeneration des Partikelfilters 18 wird der Regenerationsverlauf mittels der mit den Lambdasonden 24 und 26 vor und hinter dem Partikelfilter 18 gemessenen Luftverhältnisse überwacht. Vor Begin der Regeneration liegen vor und hinter dem Partikelfilter 18 im Wesentlichen miteinander übereinstimmende Sauerstoffgehalte vor. Da die Oxidation der Rußpartikel im Partikelfilter 18 mit einem Verbrauch von Sauerstoff einhergeht, zeigt ein Abfall des Lambdawerts hinter dem Partikelfilter 18 den Beginn der Regeneration an. Entsprechend wird das Ende der Regeneration dadurch erkannt, dass sich der Sauerstoffgehalt des Abgases stromab des Partikelfilters 18 wiederum dem Sauerstoffgehalt vor dem Partikelfilter 18 nähert. Die Bilanzierung der Luftverhältnisse vor und nach dem Partikelfilter 18 erlaubt ferner die Erfassung der dynamischen Umsatzrate im Partikelfilter 18 sowie der insgesamt umgesetzten Partikelmasse. Aus der Umsatzrate im Partikelfilter 18 kann zudem die im Wege der exothermen Rußoxidation freigesetzte Wärmeenergie ermittelt werden. Überschreitet die erfasste Umsatzrate beziehungsweise die berechnete freigesetzte Wärmemenge einen kritischen Wert, so wird das Luftverhältnis der Brennkraftmaschine 12 gesenkt, vorzugsweise auf λ = 1. Auf diese Weise wird eine thermische Schädigung des Partikelfilters 18 und/oder des nachgeschalteten Drei-Wege-Katalysators 20 vermieden. Durch die Umstellung der Brennkraftmaschine 12 auf den stöchiometrischen Betrieb wird auch die Menge der über die Dosiervorrichtung 22 zugeführten Kohlenwasserstoffe gesenkt. Auf diese Weise erfolgt eine Reduzierung der Umsatzrate des Kohlenwasserstoffs im Drei-Wege-Katalysator 20, so dass auch hier die exotherme Wärmefreisetzung reduziert wird.
Bezugszeichenliste

10: Abgasanlage
12: Brennkraftmaschine
14: Fahrzeug
16: Abgaskanal
18: Partikelfilter/Ottopartikelfilter (OPF)
20: Katalysator/Drei-Wege-Katalysator
22: Vorrichtung zur Zuführung von Kohlenwasserstoff/Dosiervorrichtung
24: erste Lambdasonde
26: zweite Lambdasonde
28: dritte Lambdasonde
30: Abgasturbine
32: Steuereinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4221363 A1 [0005]
DE 102010039013 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Regeneration eines Partikelfilters (18) einer Abgasanlage (10) einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine (12), wobei dem Partikelfilter (18) ein zumindest zur Konvertierung von Stickoxiden (NO_x) ausgebildeter Katalysator (20) nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass während der Regeneration des Partikelfilters (18) ein Luftverhältnis der Brennkraftmaschine (12) auf einen mageren Lambdawert mit λ > 1 eingestellt wird und stromauf des nachgeschalteten Katalysators (20) dem Abgas der Brennkraftmaschine (12) ein Kohlenwasserstoff zugeführt wird, so dass in dem nachgeschalteten Katalysator (20) eine Konvertierung von Stickoxiden erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest zur Konvertierung von Stickoxiden ausgebildete Katalysator (20) ein Drei-Wege-Katalysator ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bemessung der zugeführten Kohlenwasserstoffmenge so erfolgt, dass vor dem Drei-Wege-Katalysator (20) ein im Wesentlichen stöchiometrisches Luftverhältnis vorliegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung der zugeführten Kohlenwasserstoffmenge mittels eines stromab des Katalysators (20) erfassten Luftverhältnisses erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorsteuerung der zugeführten Kohlenwasserstoffmenge in Abhängigkeit der Parameter Abgasmassenstrom und Lambdawert stromab des Partikelfilters erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verlauf der Regeneration des Partikelfilters (18), insbesondere eine Umsatzrate und/oder eine insgesamt umgesetzte Partikelmasse und/oder ein Beginn und/oder Ende der Regeneration, anhand von stromauf und stromab des Partikelfilters (18) erfassten Luftverhältnissen überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreitung einer kritischen Umsatzrate das Luftverhältnis der Brennkraftmaschine (12) gesenkt wird, insbesondere auf einen im Wesentlichen stöchiometrischen Lambdawert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreitung einer kritischen Temperatur des nachgeschalteten Katalysators (20) das Luftverhältnis der Brennkraftmaschine (12) gesenkt wird, insbesondere auf einen stöchiometrischen Lambdawert von.
Abgasanlage (10) für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine (12), umfassend einen Partikelfilter (18) sowie einen diesem nachgeschalteten, zumindest zur Konvertierung von Stickoxiden (NO_x) ausgebildeten Katalysator (20), wobei stromauf des Katalysators (20) eine Vorrichtung (22) zur Zuführung eines Kohlenwasserstoffs in das Abgas angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (32), die eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
Abgasanlage (10) nach Anspruch 9, ferner umfassend eine erste, stromauf des Partikelfilters (18) angeordnete Lambdasonde (24) und/oder eine zweite, stromab des Partikelfilters (18) und stromauf der Vorrichtung (22) zur Zuführung eines Kohlenwasserstoffs angeordnete Lambdasonde (26) und/oder eine dritte, stromab des Katalysators (20) angeordnete Lambdasonde (28).