DE102013018208A1

DE102013018208A1 - Kraftfahrzeug mit einem Fremdzündungsmotor und einem Abgasnachbehandlungssystem zur Reinigung eines Abgasstromes des Fremdzündungsmotors

Info

Publication number: DE102013018208A1
Application number: DE201310018208
Authority: DE
Inventors: Oliver Will
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2015-04-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Fremdzündungsmotor und einem Abgasnachbehandlungssystem zur Reinigung eines Abgasstromes des Fremdzündungsmotors, welches eine erste Katalysatoreinheit (4), welche motornah angeordnet ist und einen dem Fremdzündungsmotor (2) nachgeschalteten ersten Drei-Wege-Katalysator (7) sowie einen dem Drei-Wege-Katalysator (7) nachgeschalteten Partikelfilter (8) umfasst, sowie eine zweite Katalysatoreinheit (5), welche der ersten Katalysatoreinheit (4) nachgeschaltet ist und einen zweiten Drei-Wege-Katalysator (9) umfasst, wobei der zweite Drei-Wege-Katalysator (9) in einem Unterboden (10) des Kraftfahrzeuges (1) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Fremdzündungsmotor und einem Abgasnachbehandlungssystem zur Reinigung eines Abgasstromes des Fremdzündungsmotors, insbesondere einem Abgasnachbehandlungssystem, mit welchem zugleich Schadstoffemissionen als auch Partikelemissionen reduziert werden können.
Abgasnachbehandlungssysteme können einen oder mehrere Katalysatoren aufweisen und dienen zur Nachbehandlung beziehungsweise Reinigung von in dem Abgasstrom des Fremdzündungsmotors mitgeführten Schadstoffen, beispielsweise Partikeln, insbesondere Rußpartikeln, Kohlenwasserstoffen und/oder Stickoxiden.
Aus der Druckschrift US 2009/0193796 A1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Fremdzündungsmotor bekannt, welches einen motornah angeordneten Drei-Wege-Katalysator sowie einen stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators angeordneten Partikelfilter umfasst. Dabei können stromabwärts des Partikelfilters weitere Katalysatoren vorgesehen sein.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kraftfahrzeug mit einem Fremdzündungsmotor und einem verbesserten Abgasnachbehandlungssystem zur Reinigung eines Abgasstroms des Fremdzündungsmotors anzugeben, insbesondere eine verbesserte Umsetzungsrate von Schadstoff- und Partikelemissionen in dem Abgasnachbehandlungssystem zu ermöglichen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Kraftfahrzeug mit einem Fremdzündungsmotor und einem Abgasnachbehandlungssystem zur Reinigung eines Abgasstromes des Fremdzündungsmotors, welches eine erste Katalysatoreinheit sowie eine zweite Katalysatoreinheit umfasst. Die erste Katalysatoreinheit ist dabei motornah angeordnet und umfasst einen dem Fremdzündungsmotor nachgeschalteten ersten Drei-Wege-Katalysator sowie einen dem ersten Drei-Wege-Katalysator nachgeschalteten Partikelfilter. Die zweite Katalysatoreinheit ist der ersten Katalysatoreinheit nachgeschaltet und umfasst einen zweiten Drei-Wege-Katalysator. Der zweite Drei-Wege-Katalysator ist dabei im Bereich des Unterbodens des Kraftfahrzeuges angeordnet.
Ein derartiges Kraftfahrzeug hat den Vorteil, dass mit diesem ein Kraftfahrzeug mit einem Fremdzündungsmotor, das heißt einem Ottomotor, und einem verbesserten Abgasnachbehandlungssystem zur Reinigung eines Abgasstroms des Fremdzündungsmotors angegeben wird, insbesondere mit einer verbesserten Umsetzungsrate von Schadstoff- und Partikelemissionen in dem Abgasnachbehandlungssystem. Insbesondere ist die verbesserte Umsetzungsrate dabei unabhängig von einer Fahrweise.
Der erste Drei-Wege-Katalysator dient dabei der Abgasnachbehandlung, wobei gleichzeitig Kohlenstoffmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickoxide zu Stickstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasser umgewandelt werden. Die motornahe Anordnung des ersten Drei-Wege-Katalysators hat dabei den Vorteil, das Wärmeverluste vermieden und die vom Fremdzündungsmotor abgegebene Wärme genutzt werden kann, um eine Anspringzeit des ersten Drei-Wege-Katalysators, welche temperaturabhängig ist, zu verkürzen, was in weiteren Emissionsvorteilen resultiert. Mithilfe des dem ersten Drei-Wege-Katalysators nachgeschalteten Partikelfilters können vorteilhaft im Abgasstrom mitgeführte Partikel, insbesondere Feinstaubpartikel, beispielsweise Rußpartikel oder Aschepartikel, aus dem Abgasstrom entfernt werden, wodurch die Partikelemission auf ein Minimum reduziert werden kann. Auch wird durch die motornahe Anordnung des Partikelfilters eine passive Partikelfilterregeneration unter den meisten Kundenprofilen sichergestellt, da in diesem Bereich genügend thermische Energie zur Partikeloxidation zur Verfügung steht.
Der zweite Drei-Wege-Katalysator wiederum dient dem Nachreinigen des Abgases, das heißt dem Herausfiltern eines Schlupfes an Abgasen, welcher nach Durchlaufen des ersten Drei-Wege-Katalysators noch im Abgasstrom vorhanden ist und welcher nach Durchlaufen des Partikelfilters nahezu frei von mitgeführten Partikeln und folglich unabhängig von diesen ist. Die Anordnung des zweiten Drei-Wege-Katalysators im Unterboden des Kraftfahrzeuges hat dabei den Vorteil, dass genügend Bauraum zur Verfügung steht, um den zweiten Drei-Wege-Katalysator derart auszugestalten, dass gewährleistet werden kann, dass nach Durchlaufen des Abgasnachbehandlungssystems ein Anteil von Schadstoffemissionen als auch von Partikelemission im Abgasstrom minimal ist. So ist aufgrund der motornahen Anordnung des ersten Drei-Wege-Katalysators der zur Verfügung stehende Bauraum für den ersten Drei-Wege-Katalysator beschränkt, was in einem entsprechend kleinen ersten Drei-Wege-Katalysator und dementsprechend in einem Schlupf an Abgasen im Abgasstrom nach durchlaufen des ersten Drei-Wege-Katalysators resultieren kann. Die Anordnung des zweiten Drei-Wege-Katalysators im Unterboden des Kraftfahrzeuges hat nun den Vorteil, dass dieser derart ausgebildet sein kann, dass er ein ausreichend großes Volumen aufweist, wodurch effektiv gewährleistet werden kann, dass ein Anteil von Schadstoffemissionen als auch von Partikelemissionen im Abgasstrom nach Durchlaufen des Abgasnachbehandlungssystems minimal ist.
Dabei kann der erste Drei-Wege-Katalysator direkt hinter einem Abgaskrümmer des Fremdzündungsmotors angeordnet sein. Hierdurch kann auf einfache Art und Weise gewährleistet werden, dass Wärmeverluste vermieden und die vom Fremdzündungsmotor abgegebene Wärme genutzt werden kann, um eine Anspringzeit des ersten Drei-Wege-Katalysators zu verkürzen. Der erste Drei-Wege-Katalysator ist dabei bevorzugt mit dem Abgaskrümmer über eine Flanschverbindung verbunden. Ferner ist es aber auch möglich, den ersten Drei-Wege-Katalysator in einem Sammelrohr des Abgaskrümmers anzuordnen.
Auch können der erste Drei-Wege-Katalysator und der Partikelfilter in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, dass der zur Verfügung stehende, begrenzte motornahe Bauraum effizient genutzt werden kann. Zudem kann durch das Gehäuse eine Beschädigungsgefahr der einzelnen Komponenten, das heißt des ersten Drei-Wege-Katalysators sowie des Partikelfilters, minimiert werden.
Zudem kann der Partikelfilter ein unbeschichtetes Filterelement aufweisen. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass vom Partikelfilter keine katalytische Umsetzung ausgeht und die Filtration vollständig zum Herausfiltern von Partikeln genutzt werden kann, wodurch eine hohe Filtrationseffizienz resultierend in einer minimalen Partikelemission gewährleistet werden kann. Somit wird eine Beeinflussung der katalytischen Drei Wege-Aktivität durch gespeicherte Partikel, beispielsweise Ruß- und Aschepartikel vermieden. Auch können Risiken, welche bei der Einführung neuer Beschichtungstechnologien, die für die Beschichtung von Partikelfiltern notwendig wären, vermieden werden. Somit können auch für die Drei-Wege-Katalysatoren konventionelle Beschichtungstechnologien zum Einsatz kommen, was weiter in einem einfachen und kostengünstigen Abgasnachbehandlungssystem für den Fremdzündungsmotor resultiert.
Gemäß einer Ausführungsform weist die erste Katalysatoreinheit weiter einen zwischen dem ersten Drei-Wege-Katalysator und dem Partikelfilter angeordneten Sauerstoffsensor zum Überwachen eines Sauerstoffgehalts in einem Auslassabgabestrom des ersten Drei-Wege-Katalysators auf. Der Sauerstoffsensor dient dabei der Sicherstellung einer größtmöglichen Schadstoffkonvertierung, wobei ausgehend von durch den Sauerstoffsensor empfangenen Daten über geeignete Regler das Luft-Kraftstoffverhältnis des Abgases, welches einen wichtigen Parameter zur Ermöglichung der Abgasreinigung durch den Dreiwegekatalysator darstellt, dahingehend geregelt wird, dass der Katalysator in seinem optimalen Konvertierungsbereich, arbeitet. So unterliegen Fremdzündungsmotoren einer genauen Regelung des Luft-Kraftstoffverhältnisses, um die Kraftstoffkosten zu senken und die Abgasmenge zu reduzieren. Im Hinblick auf den Umweltschutz werden mit Hilfe eines Dreiwegekatalysators drei schädliche Bestandteile des Abgases, nämlich Kohlenmonoxid, Stickoxide und Kohlenwasserstoffe, entfernt, wobei der Katalysator am wirksamsten arbeitet, wenn das Luft-Kraftstoffverhältnis in der Nähe des stöchiometrischen Luft-Kraftstoffverhältnisses liegt. Hierzu können Sollwerte für die Daten des Sensors festgelegt werden.
Der Sauerstoffsensor kann dabei mit einem Steuergerät des Kraftfahrzeuges gekoppelt sein, zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit und/oder Regelung des ersten Drei-Wege-Katalysators. Die durch den Sauerstoffsensor erhaltenen Daten können hierbei beispielsweise durch das Steuergerät, bei einer gebräuchlichen Regelung verwendet werden, um das Luft-Kraftstoffverhältnis einzustellen, das dem Fremdzündungsmotor zugeführt werden muss, um die verbleibende Restkonzentration von Stickstoffoxiden oder Stickstoffdioxiden nahe Null zu halten. Dabei können konventionelle, das heißt bekannte Diagnosestrategien und Algorithmen zur Diagnose des ersten Drei-Wege-Katalysators eingesetzt werden, da das Signal des nach dem ersten Drei-Wege Katalysators angeordneten Sauerstoffsensors nicht durch Reaktionen mit im Partikelfilter gespeicherten Rußpartikeln verfälscht werden kann.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass mit der vorliegenden Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem Fremdzündungsmotor und einem verbesserten Abgasnachbehandlungssystem zur Reinigung eines Abgasstroms des Fremdzündungsmotors angegeben wird, insbesondere mit einer verbesserten Umsetzungsrate von Schadstoffen in dem Abgasnachbehandlungssystemen.
So ist das Abgasnachbehandlungssystem ausgebildet, unabhängig von einer Fahrweise zugleich Schadstoffemissionen als auch Partikelemission zu reduzieren.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Kraftfahrzeuges mit einem Fremdzündungsmotor und einem Abgasnachbehandlungssystem zur Reinigung eines Abgasstromes des Fremdzündungsmotors gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Kraftfahrzeuges 1 mit einem Fremdzündungsmotor 2 und einem Abgasnachbehandlungssystem 3 zur Reinigung eines Abgasstromes des Fremdzündungsmotors 2 gemäß Ausführungsform der Erfindung.
Das Abgasnachbehandlungssystem 3 gemäß 1 weist eine erste 4 und eine zweite Katalysatoreinheit 5 auf, welche in einem Abgaspfad 6 des Fremdzündungsmotors, insbesondere eines Ottomotors angeordnet sind. Der Fremdzündungsmotor 2 kann dabei femer einen Turbolader aufweisen.
Die erste 4 und die zweite Katalysatoreinheit 5 sind dabei aufeinanderfolgend in dem Abgaspfad 6 angeordnet.
Wie zu erkennen ist, ist die erste Katalysatoreinheit 4 dabei motornah angeordnet und umfasst einen dem Fremdzündungsmotor 2 nachgeschalteten ersten Drei-Wege-Katalysator 7, zum gleichzeitigen Umwandeln von Kohlenstoffmonoxid, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden zu Stickstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasser, sowie einen dem ersten Drei-Wege-Katalysator 7 nachgeschalteten Partikelfilter 8, zum Entfernen von im Abgasstrom mitgeführten Partikeln, insbesondere Feinstaubpartikeln, beispielsweise Rußpartikeln oder Aschepartikeln, aus dem Abgasstrom.
Die zweite Katalysatoreinheit 5 weist einen zweiten Drei-Wege-Katalysator 9 auf, welcher im Bereich des Unterbodens 10 des Kraftfahrzeuges 1 angeordnet ist. Die Anordnung des zweiten Drei-Wege-Katalysators 9 im Unterboden 10 des Kraftfahrzeuges 1 gewährleistet dabei, dass dieser 9 ein ausreichend großes Volumen aufweist, wodurch gewährleistet werden kann, dass ein in einem Auslassabgabestrom des ersten Drei-Wege-Katalysators 7 auftretender Schlupf an Abgasen, welche nach Durchlaufen des Partikelfilters 8 eine minimale Partikelkonzentration aufweisen, effektiv heraus konvertiert werden kann.
Wie 1 weiter zeigt, ist der erste Drei-Wege-Katalysator 7 direkt hinter einem Abgaskrümmer 11, das Fremdzündungsmotors 2 angeordnet, wobei der erste Drei-Wege-Katalysator 7 und der Abgaskrümmer 11, über einen Flansch 12 verbunden sind. Hierdurch kann auf einfache Art und Weise gewährleistet werden, dass Wärmeverluste vermieden und die vom Fremdzündungsmotor 2 abgegebene Wärme genutzt werden kann, um eine Anspringzeit des ersten Drei-Wege-Katalysators 7 zu verkürzen. Ferner ist es aber auch möglich, den ersten Drei-Wege-Katalysator in einem Sammelrohr des Abgaskrümmers anzuordnen. Auch wird durch die motornahe Anordnung des Partikelfilters 8 eine passive Partikelfilterregeneration unter den meisten Kundenprofilen sichergestellt, da in diesem Bereich genügend thermische Energie zur Partikeloxidation zur Verfügung steht.
Weiter sind der dargestellte erste Drei-Wege-Katalysator 7 sowie der Partikelfilter 8 in einem gemeinsamen Gehäuse 13 angeordnet, was zur Folge hat, dass der zur Verfügung stehende, begrenzte motornahe Bauraum effizient genutzt werden kann.
Auch weißt der Partikelfilter 8 gemäß 1 ein unbeschichtetes Filterelement 14 auf, so dass vom Partikelfilter 8 keine katalytische Umsetzung ausgeht und die Filtration vollständig zum Herausfiltern von Partikeln genutzt werden kann. Durch das unbeschichtete Filterelement 14 wird weiter eine Beeinflussung der katalytischen Drei-Wege-Aktivität durch gespeicherte Partikel, beispielsweise Ruß- und Aschepartikel vermieden.
Zu erkennen ist weiter ein zwischen dem ersten Drei-Wege-Katalysator 7 sowie dem Partikelfilter 8 angeordneter Sauerstoffsensor 15 zum Überwachen eines Sauerstoffgehalts in einem Auslassabgabestrom des ersten Drei-Wege-Katalysators 7.
Gemäß der Ausführungsform der 1 ist dieser 15 dabei mit einem Steuergerät 16 des Kraftfahrzeuges 1 gekoppelt zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit und/oder Regelung des ersten Drei-Wege-Katalysators. Die durch den Sauerstoffsensor 15 erhaltenen Daten können hierbei beispielsweise durch das Steuergerät 16, bei einer gebräuchlichen Regelung verwendet werden, um das Luft-Kraftstoffverhältnis einzustellen, das dem Fremdzündungsmotor 2 zugeführt werden muss, um die verbleibende Restkonzentration von Stickstoffoxiden oder Stickstoffdioxiden nahe Null zu halten.
Obwohl zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorhergehenden Beschreibung gezeigt wurde, können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Die genannten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele und nicht dazu vorgesehen, den Gültigkeitsbereich, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr stellt die vorhergehende Beschreibung dem Fachmann einen Plan zur Umsetzung zumindest einer beispielhaften Ausführungsform zur Verfügung, wobei zahlreiche Änderungen in der Funktion und der Anordnung von in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elementen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der angefügten Ansprüche und ihrer rechtlichen Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Fremdzündungsmotor
3: Abgasnachbehandlungssystem
4: erste Katalysatoreinheit
5: zweite Katalysatoreinheit
6: Abgaspfad
7: erster Drei-Wege-Katalysator
8: Partikelfilter
9: zweiter Drei-Wege-Katalysator
10: Unterboden
11: Abgaskrümmer
12: Flansch
13: Gehäuse
14: unbeschichtetes Filterelement
15: Sauerstoffsensor
16: Steuergerät

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2009/0193796 A1 [0003]

Claims

Kraftfahrzeug mit einem Fremdzündungsmotor und einem Abgasnachbehandlungssystem zur Reinigung eines Abgasstromes des Fremdzündungsmotors, welches eine erste Katalysatoreinheit (4), welche motornah angeordnet ist und einen dem Fremdzündungsmotor (2) nachgeschalteten ersten Drei-Wege-Katalysator (7) sowie einen dem Drei-Wege-Katalysator (7) nachgeschalteten Partikelfilter (8) umfasst, sowie eine zweite Katalysatoreinheit (5), welche der ersten Katalysatoreinheit (4) nachgeschaltet ist und einen zweiten Drei-Wege-Katalysator (9) umfasst, wobei der zweite Drei-Wege-Katalysator (9) in einem Unterboden (10) des Kraftfahrzeuges (1) angeordnet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, wobei der erste Drei-Wege-Katalysator (7) direkt hinter einem Abgaskrümmer (11) des Fremdzündungsmotors (2) angeordnet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Drei-Wege-Katalysator (7) und der Partikelfilter (8) in einem gemeinsamen Gehäuse (13) angeordnet sind.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Partikelfilter (8) ein unbeschichtetes Filterelement (14) aufweist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Katalysatoreinheit (4) weiter einen zwischen dem ersten Drei-Wege-Katalysator (7) und dem Partikelfilter (8) angeordneten Sauerstoffsensor (15) zum Überwachen eines Sauerstoffgehalts in einem Auslassabgabestrom des ersten Drei-Wege-Katalysators (7) aufweist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 5, wobei der Sauerstoffsensor (15) mit einem Steuergerät (16) des Kraftfahrzeuges (1) gekoppelt ist zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit und/oder Regelung des ersten Drei-Wege-Katalysators (7).