DE102015212514A1 - Verfahren zur Abgasnachbehandlung und Vorrichtung zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur Abgasnachbehandlung und Vorrichtung zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine (10) offenbart, umfassend einen Abgaskanal (12), einen im Abgaskanal (12) angeordneten ersten Drei-Wege-Katalysator (14), einen in Strömungsrichtung des Abgases nachfolgenden Partikelfilter (18), wobei in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Partikelfilter (18, 18') Mittel zur Sekundärlufteinbringung (20) in den Abgaskanal (12) und ein zweiter Drei-Wege-Katalysator (16) im Abgaskanal (12) angeordnet sind oder der Partikelfilter (18') eine drei-Wege-katalytische Beschichtung aufweist, umfassend folgende Schritte: Betreiben der Brennkraftmaschine (10) mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis; Ermitteln eines Beladungszustandes eines im Abgaskanal (12) der Brennkraftmaschine (10) angeordneten Partikelfilters (18); bei Erfordernis Anhebung der Abgastemperatur auf eine Regenerationstemperatur des Partikelfilters (18) durch Verstellen einer Gemischbildung für die Brennkraftmaschine (10) auf fett und Einbringen von Sekundärluft in den Abgaskanal (12), so dass in einer Heizphase des Partikelfilters (18, 18') in dem zweiten Drei-Wege-Katalysator (16) oder dem katalytisch beschichteten Partikelfilter (18') das fette Verbrennungsabgas durch die Sekundärluft exotherm oxidiert wird; und Betreiben der Brennkraftmaschine (10) während einer Regenerationsphase des Partikelfilters (18, 18') mit fettem oder stöchiometrischem Gemisch.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zur Regeneration einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
  • Die kontinuierliche Verschärfung der Abgasgesetzgebung stellt hohe Anforderungen an die Fahrzeughersteller, welche durch entsprechende Maßnahmen zur Reduktion der motorischen Rohemissionen und durch eine entsprechende Abgasnachbehandlung gelöst werden. Mit Einführung der nächsten Gesetzgebungsstufe EU6 wird für Ottomotoren ein Grenzwert für eine Partikelanzahl vorgeschrieben. Die Einhaltung des Grenzwerts kann durch den Einsatz eines Ottopartikelfilters gewährleistet werden. Im Fahrbetrieb wird ein solcher Ottopartikelfilter mit Ruß beladen. Damit der Abgasgegendruck nicht zu stark ansteigt, muss dieser Ottopartikelfilter kontinuierlich oder periodisch regeneriert werden. Um eine thermische Oxidation des im Ottopartikelfilter zurückgehaltenen Rußes mit Sauerstoff durchzuführen, ist ein hinreichend hohes Temperaturniveau in Verbindung mit gleichzeitig vorhandenem Sauerstoff in der Abgasanlage des Ottomotors notwendig. Da moderne Ottomotoren normalerweise ohne Sauerstoffüberschuss mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ = 1) betrieben werden, sind dazu zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Dazu kommen als Maßnahmen beispielsweise eine zeitweise Magerverstellung des Ottomotors oder das Einblasen von Sekundärluft in die Abgasanlage in Frage. Bevorzugt wird bislang eine Magerverstellung des Ottomotors angewandt, da dieses Verfahren ohne zusätzliche Bauteile auskommt und in den meisten Betriebspunkten des Ottomotors eine ausreichende Sauerstoffmenge liefern kann. Nachteilig an einer solchen Magerverstellung ist jedoch, dass während der Magerverstellung des Motors Stickoxide nicht hinreichend durch den Drei-Wege-Katalysator konvertiert werden können.
  • Aus der DE 103 61 791 A1 ist eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung bekannt, welche einen NOx-Speicherkatalysator und einen Partikelfilter aufweist, wobei zur Regeneration des NOx-Speicherkatalysators die Brennkraftmaschine fett betrieben wird und zwischen dem NOx-Speicherkatalysator und dem Partikelfilter Sekundärluft in den Abgaskanal eingeblasen wird. Auf diese Weise wird gleichzeitig eine Regeneration des Partikelfilters erzielt.
  • Aus der DE 10 2010 046 747 A1 sind eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung und ein Abgasnachbehandlungsverfahren bekannt, wobei zur Regeneration eines Partikelfilters das in den Partikelfilter strömende Luftverhältnis alternierend zwischen fett und mager pendelt.
  • Die bekannten Vorrichtungen und Verfahren haben den Nachteil, dass bei der Regeneration zumindest phasenweise keine vollständige Abgasreinigung erfolgt und somit der Ausstoß von Emissionen während der Regeneration des Partikelfilters ansteigt.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen sowohl ein hinreichend hohes Temperaturniveau für eine Regeneration des Partikelfilters erreicht wird als auch während der Regeneration des Partikelfilters der Schadstoffausstoß möglichst gering gehalten wird.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
  • Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors, mit einem Abgaskanal, einem im Abgaskanal angeordneten ersten Drei-Wege-Katalysator, einem in Strömungsrichtung des Abgases nachfolgenden Partikelfilter und in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Partikelfilter angeordneten Mitteln zur Sekundärlufteinbringung in den Abgaskanal, wobei in Strömungsrichtung das Abgases zwischen den Mitteln zur Sekundärlufteinbringung und dem Partikelfilter ein zweiter Drei-Wege-Katalysator im Abgaskanal angeordnet ist oder der Partikelfilter eine Drei-Wege-katalytische Beschichtung aufweist, welches die folgenden Schritte umfasst:
    • – Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis,
    • – Ermitteln eines Beladungszustandes des im Abgaskanal der Brennkraftmaschine angeordneten Partikelfilters,
    • – wenn es der Beladungszustand eine Regeneration des Partikelfilters erfordert, Anhebung der Abgastemperatur auf eine Regenerationstemperatur des Partikelfilters durch zumindest zeitweiliges Verstellen der Gemischbildung für die Brennkraftmaschine auf fett und zumindest zeitweiliges Einbringen von Sekundärluft in den Abgaskanal, so dass in einer Heizphase des Partikelfilters das fette Verbrennungsabgas in dem zweiten Drei-Wege-Katalysator oder dem katalytisch beschichteten Partikelfilter exotherm oxidiert wird, und
    • – Betreiben der Brennkraftmaschine während einer Regenerationsphase des Partikelfilters mit fettem oder stöchiometrischem Gemisch.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann der Partikelfilter auf eine Regenerationstemperatur aufgeheizt werden und darauffolgend regeneriert werden, ohne dass in der Heizphase des Partikelfilters oder in der Regenerationsphase des Partikelfilters die Reinigungswirkung zumindest eines der drei-Wege-katalytischen Komponenten beeinträchtigt wird.
  • Für als Ottomotoren ausgeführte Brennkraftmaschinen kann der Partikelfilter als Ottopartikelfilter ausgeführt sein und als solcher bezeichnet werden.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahren möglich.
  • Es versteht sich, dass die Begriffe „Heizphase” und „Regenerationsphase” Zustände beschrieben, die nicht zwangsläufig zeitlich nacheinander stattfinden müssen, vielmehr auch gleichzeitig vorliegend können.
  • Ferner versteht sich, dass der die Regeneration auslösende Beladungszustand des Partikelfilters in Form verschiedener Größen festgestellt werden kann, solange diese eine direkte oder indirekte Auskunft über die Beladung erlauben. Beispielsweise kann der Beladungszustand über eine Differenzdruckmessung stromauf und stromab des Partikelfilters ermittelt werden. Alternativ wird der Beladungszustand in Abhängigkeit von geeigneten Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, beispielsweise der aktuellen Last und Drehzahl, modelliert. Eine Regeneration wird dann erforderlich, wenn der Beladungszustand eine vorbestimmte Schwelle überschreitet.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterführung des Verfahrens ist vorgesehen, dass während der Heizphase des Partikelfilters die Brennkraftmaschine mit einem fetten Gemisch, und während der Regenerationsphase des Partikelfilters mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird (λ = 1). Da die Brennkraftmaschine nur während der Heizphase von einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis abweicht und mit einem fetten Gemisch betrieben wird (λ < 1), können die Rohemissionen gering gehalten werden. Zudem wird der im Abgas befindliche Anteil an Reduktionsmitteln (Kohlenwasserstoffe HC, Kohlenmonoxid CO, Wasserstoff H2) durch die Sekundärluft vor dem zweiten Drei-Wege-Katalysator beziehungsweise dem katalytischen Partikelfilter exotherm oxidiert, wodurch es zu der gewünschten Anhebung der Abgastemperatur kommt, und zum anderen bei Eintritt in den zweiten Drei-Wege-Katalysator ein weitestgehend stöchiometrisches Mischungsluftverhältnis vorliegt, so dass der zweite Drei-Wege-Katalysator/katalytischer Partikelfilter wirksam die Schadstoffe aus dem Abgas eliminieren kann.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist mit Vorteil vorgesehen, wenn in der Heizphase durch die Sekundärlufteinbringung ein stöchiometrisches Mischungsluftverhältnis im Abgaskanal vor Eintritt in den zweiten Drei-Wege-Katalysator beziehungsweise dem katalytisch beschichteten Partikelfilter eingestellt wird und in der Regenerationsphase ein überstöchiometrisches Mischungsluftverhältnis (mager, λ > 1). Dadurch kann der Sauerstoffgehalt im Abgas derart erhöht werden, dass eine sichere und kontrolliere Regeneration des Partikelfilters durch eine entsprechende Oxidation des im Partikelfilters zurückgehaltenen Rußes möglich ist.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterführung ist vorgesehen, dass zur Regeneration des Partikelfilters mehrfach zwischen der Heizphase und der Regenerationsphase alternierend gewechselt wird. Somit kann sichergestellt werden, dass es einerseits während der Regeneration des Partikelfilters nicht zu einer Überhitzung und zu einem Durchbrennen des Partikelfilters kommt und andererseits ein Absinken der Temperatur unter die Regenerationstemperatur vermieden wird. Vorzugsweise erfolgt dies durch konstante Sekundärlufteinbringung und alternierenden stöchiometrischen und fetten Betrieb der Brennkraftmaschine. Somit wird in den stöchiometrischen Intervallen der Brennkraftmaschine ein mageres Mischungsluftverhältnis durch die Sekundärluft erzielt und in den fetten (unterstöchiometrischen) Intervallen ein stöchiometrisches Mischungsluftverhältnis. Die relativen Längen der Heizphase und der Regenerationsphase können gleich lang oder unterschiedlich lang gewählt werden, vorzugsweise sind sie zeitlich gleichlang.
  • Ferner ist mit Vorteil vorgesehen, dass während der Heizphase als auch während der Regenerationsphase jeweils der erste oder der zweite Drei-Wege-Katalysator beziehungsweise der erste Drei-Wege-Katalysator oder der katalytisch beschichtete Partikelfilter mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis oder Mischungsluftverhältnis beaufschlagt wird.
  • Somit kann in jedem Betriebszustand der Brennkraftmaschine stets eine effiziente Abgasreinigung gewährleistet werden.
  • Gemäß einer alternativen Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine während der Heizphase und während der Regenerationsphase des Partikelfilters mit fettem Gemisch betrieben wird, wobei in beiden Phasen eine derartige Menge an Sekundärluft eingeblasen wird, dass das Mischungsluftverhältnis bei Eintritt in den Partikelfilter hinreichend mager ist, also einen hinreichend großen Sauerstoffüberschuss aufweist, und der Ruß im Partikelfilter oxidiert wird. In diesem Ausführungsbeispiel finden die Heizphase und die Regenerationsphase gleichzeitig statt. Durch den fetten Betrieb der Brennkraftmaschine wird eine geringe Rohemission an Stickoxiden erreicht. Da jedoch keiner der beiden Drei-Wege-Katalysatoren und auch nicht der katalytisch beschichtete Partikelfilter mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis oder einem stöchiometrischen Mischungsluftverhältnis betrieben werden, kann es zu einem Stickoxid-Schlupf kommen, welcher gegebenenfalls durch eine weitere Abgasnachbehandlungsvorrichtung, insbesondere einen NOx-Speicherkatalysator, kompensiert werden kann.
  • Erfindungsgemäß ist ferner eine Vorrichtung zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Ottomotors, mit einem Abgaskanal, einem im Abgaskanal angeordneten ersten Drei-Wege-Katalysator, einem in Strömungsrichtung des Abgases nachfolgenden Partikelfilter, und mit in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Partikelfilter angeordneten Mitteln zur Sekundärlufteinbringung in den Abgaskanal vorgesehen, bei der in Strömungsrichtung des Abgases zwischen den Mitteln zur Sekundärlufteinbringung und dem Partikelfilter ein zweiter Drei-Wege-Katalysator im Abgaskanal angeordnet ist oder der Partikelfilter eine drei-Wege-katalytische Beschichtung aufweist und die Vorrichtung zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Dadurch kann selbst in einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine, bei dem eine Anfettung des Gemischs in der Brennkraftmaschine zur Aufheizung des Abgases durch die Einbringung der Sekundärluft am zweiten Katalysator erfolgt, ein stöchiometrisches Mischungsluftverhältnis eingestellt und somit eine wirksame Abgasreinigung durch die zweite Drei-Wege-Komponente erreicht werden. In Betriebszuständen der Brennkraftmaschine, in denen die Brennkraftmaschine bereits mit stöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird und eine wirksame Abgasreinigung bereits durch den ersten Drei-Wege-Katalysator erfolgt, kann vor der zweiten Drei-Wege-Komponente Sekundärluft eingebracht werden, um Sauerstoff für die Oxidation des im Partikelfilters zurückgehaltenen Rußes bereitzustellen und somit eine Regeneration des Partikelfilters zu ermöglichen. Somit ist sichergestellt, dass zumindest immer einer der beiden Drei-Wege-Komponenten mit einem stöchiometrischen Mischungsluftverhältnis betrieben wird und eine wirksame Reinigung des Abgases durch eine der beiden Drei-Wege-Komponenten stattfindet. Es ist auch möglich, dass in einem weiteren Betriebszustand der Brennkraftmaschine diese mit einem stöchiometrischen Mischungsluftverhältnis betrieben wird und keine Sekundärluft eingebracht wird. In diesem Betriebszustand arbeiten beide Drei-Wege-Komponenten mit einem stöchiometrischen Mischungsluftverhältnis.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Mittel zur Sekundärlufteinbringung ein Sekundärluftventil umfassen. Durch ein Sekundärluftventil kann die Luftzufuhr zwischen dem ersten Drei-Wege-Katalysator und der zweiten Drei-Wege-Komponente geregelt werden. Somit ist es auf einfache und komfortable Weise möglich, das Mischungsluftverhältnis im Abgaskanal stromabwärts des Sekundärluftventils, insbesondere am zweiten Drei-Wege-Katalysator und/oder am Partikelfilter, einzustellen. Somit kann eine Abgasreinigung durch die zweite Drei-Wege-Komponente erfolgen bzw. eine Regeneration des Partikelfilters kontrolliert werden. Insbesondere kann durch Schließen des Sekundärluftventils eine zu große Sauerstoffkonzentration und somit ein unkontrolliertes Abbrennen des Rußes im Partikelfilter unterbunden werden, welches sonst zu einer Zerstörung des Partikelfilters führen kann.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die Mittel zur Sekundärlufteinbringung eine Sekundärluftleitung umfassen, welche einen Luftleitungsabschnitt zwischen einem Verdichter und der Brennkraftmaschine mit dem Abgaskanal verbindet. Durch den Verdichter kann die Luft auf einen Druck verdichtet werden, welcher höher ist als der Druck im Abgaskanal stromab des ersten Drei-Wege-Katalysators. Somit ist kein zusätzlicher Verdichter zur Verdichtung von Luft für die Sekundärlufteinbringen notwendig.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgaskanal zwischen dem zweiten Drei-Wege-Katalysator und dem Partikelfilter oder in Strömungsrichtung hinter dem Partikelfilter eine Lambda-Sonde im Abgaskanal angeordnet ist. Durch eine Lambda-Sonde kann der Sauerstoffgehalt im Abgas ermittelt werden und die Sekundärlufteinbringung auf ein Mischungsluftverhältnis eingeregelt werden, um eine Aufheizung des Partikelfilters und/oder eine Regeneration des Partikelfilters zu regeln.
  • Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
  • Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
  • Die Brennkraftmaschine ist bevorzugt Teil eines Antriebs eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Landkraftfahrzeugs, wie beispielsweise eine Personenkraftwagens. Der Antrieb kann ein Hybridantrieb sein, der eine Mehrzahl von Teilen mit voneinander verschiedenen Antriebsenergiequellen aufweist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Ausführungsform einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reinigung des Abgases der Brennkraftmaschine,
  • 2 eine alternative Ausführungsform einer Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zur Reinigung des Abgases der Brennkraftmaschine,
  • 3 eine Schaubild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regeneration des Partikelfilters und
  • 4 eine Schaubild einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regeneration des Partikelfilters.
  • 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 10 in Form eines mit einem Turbolader 30 aufgeladenen Ottomotors, mit einem Luftversorgungssystem 50 und mit einem Abgaskanal 12. Das Luftversorgungssystem 50 umfasst einen Luftfilter 42, eine Ansaugleitung 36, einen Verdichter 28, eine Drosselklappe 38 und einen Ladeluftkühler 40. In dem Abgaskanal 12 ist in Strömungsrichtung eines Abgases der Brennkraftmaschine 10 eine Turbine 34 des Turboladers 30 angeordnet, welche über eine Antriebswelle 44 den Verdichter 28 des Turboladers 30 antreibt.
  • In Strömungsrichtung eines Abgases der Brennkraftmaschine 10 durch den Abgaskanal 12 ist stromab der Turbine 34 ein erster Drei-Wege-Katalysator 14 in dem Abgaskanal 12 angeordnet. Stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 14 sind Mittel zur Sekundärlufteinbringung 20 in den Abgaskanal 12 vorgesehen. Die Mittel zur Sekundärlufteinbringung 20 umfassen ein Sekundärluftventil 22 und eine Sekundärluftleitung 24, welche einen Luftleitungsabschnitt 26 der Ansaugleitung 36 zwischen dem Verdichter 28 und der Brennkraftmaschine 10 mit dem Abgaskanal 12 verbindet. Stromabwärts der Mittel zur Sekundärlufteinbringung 20 ist im Abgaskanal 12 ein zweiter Drei-Wege-Katalysator 16 angeordnet. In Strömungsrichtung des Abgases der Brennkraftmaschine 10 durch den Abgaskanal 12 sind stromabwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators 16 eine Lambda-Sonde 32 und ein Partikelfilter 18, insbesondere ein Otto-Partikelfilter, angeordnet.
  • 2 zeigt eine weitere Brennkraftmaschine 10 mit einem Luftversorgungssystem 50 und einem Abgaskanal 12. Bei weitestgehend gleichem Aufbau ist im Abgaskanal 12 kein zweiter Drei-Wege-Katalysator 16 angeordnet. Vielmehr ist anstelle des nicht katalytischen Partikelfilters 18 aus 1 ein mit einer drei-wege-katalytischen Beschichtung ausgestatteter Partikelfilter 18' angeordnet, welcher somit die Funktionalität eines Drei-Wege-Katalysators und eines Partikelfilters in sich vereint.
  • Im Sinne dieser Patentanmeldung werden der zweite Drei-Wege-Katalysator 16 der 1 und der katalytisch beschichtete Partikelfilter 18' der 2 auch als zweite Drei-Wege-Komponente bezeichnet.
  • Im Betrieb der Brennkraftmaschine entstehender Ruß wird durch den Partikelfilter 18, 18' zurückgehalten, wobei sich der Partikelfilter 18, 18' mit Ruß belädt. Wird eine festgelegte Schwelle der Rußbeladung des Partikelfilters 18, 18' detektiert, was beispielsweise durch eine Differenzdruckmessung über den Partikelfilter 18, 18' oder durch eine modellbasierte Berechnung erfolgen kann, wird ein Regenerationsverfahren des Partikelfilters 18, 18' eingeleitet. Dazu wird zunächst die Abgastemperatur der Brennkraftmaschine 10 bis zu einer Regenerationstemperatur von ca. 600°C vor Eintritt in den Partikelfilter 18, 18' erhöht. Dies wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren erreicht. Zunächst wird überprüft, ob die zweite Drei-Wege-Komponente 16, 18' eine sogenannte „Light-Off-Temperatur” von beispielsweise ca. 350°C aufweist. Hierdurch ist sichergestellt, dass unverbrannte Bestandteile des Kraftstoffs aus dem Abgas der Brennkraftmaschine 10 an der zweiten Drei-Wege-Komponente 16, 18' exotherm oxidiert werden können. Liegt die Light-Off-Temperatur der zweiten Drei-Wege-Komponente 16, 18' vor, wird der Partikelfilter 18, 18' bis zu der Regenerationstemperatur weiter aufgeheizt. Dazu wird die Brennkraftmaschine 10 mit einem fetten Gemisch betrieben, welches vorzugsweise ein Verbrennungsluftverhältnis λ von etwa 0,9 aufweist. Die unverbrannten Bestandteile des Gemischs, insbesondere Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Wasserstoff, werden zusammen mit den Verbrennungsprodukten in den Abgaskanal 12 eingeleitet. Durch einen Luftabgriff in der Ansaugleitung 36 nach dem Verdichter 28 und ein Einleiten dieser Luft über die Sekundärluftleitung 24 und das Sekundärluftventil 22 in den Abgaskanal 12, können diese unverbrannten Bestandteile des Kraftstoffs auf der stromabliegenden zweiten Drei-Wege-Komponente 16, 18' exotherm umgesetzt werden. Das Verbrennungsluftverhältnis λE der Brennkraftmaschine 10 kann vorgesteuert so eingestellt werden, dass sich die gewünschte Zieltemperatur einstellt. Gleichzeitig wird das vermischte Verbrennungsluftverhältnis λm aus Verbrennungsluftverhältnis der Brennkraftmaschine 10 und der eingebrachten Sekundärluft durch die Lambdasonde 32 stromabwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators 16 gemessen. Während der Heizphase des Partikelfilters 18, 18' wird dieses vermischte Verbrennungsluftverhältnis auf λm = 1 eingeregelt, so dass die zweite Drei-Wege-Komponente 16, 18' eine optimale Abgasreinigungswirkung erreichen kann und die Schadstoffe im Abgas effektiv umgesetzt werden.
  • Ist die Regenerationstemperatur des Partikelfilters 18, 18' erreicht, wird auf eine Regenerationsphase umgestellt. Dazu wird die Brennkraftmaschine 10 wieder mit stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λE = 1 betrieben. Dadurch können alle Schadstoffe des Abgases der Brennkraftmaschine 10 während der Regenerationsphase auf dem ersten Drei-Wege-Katalysator 14 vollständig umgesetzt werden. Um den Sauerstoff für die Regeneration des Partikelfilters 18, 18' bereitzustellen, wird weiterhin Sekundärluft in den Abgaskanal 12 eingeblasen. Das gewünschte vermischte Verbrennungsluftverhältnis, beispielsweise λm = 1,1 kann durch entsprechende Dosierung der Sekundärluft durch das Sekundärluftventil 22 eingeregelt werden. Dadurch wird beispielsweise gewährleistet, dass die Umsatzrate des im Partikelfilter 18, 18' zurückgehaltenen Rußes nicht zu hoch wird, was andernfalls zu einer thermischen Schädigung des Partikelfilters 18, 18' führen kann. Sinkt die Temperatur am Eintritt in den Partikelfilter 18, 18' während der Regeneration unter die Regenerationstemperatur ab, wird erneut auf die Heizphase umgeschaltet. Dieser Wechsel von Heizphase und Regenerationsphase des Partikelfilters 18, 18' kann wie in 3 dargestellt alternierend, beispielsweise in Zeitabständen von jeweils 100 Sekunden, erfolgen. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis der Partikelfilter 18, 18' hinreichend regeneriert ist, was beispielsweise ebenfalls durch eine Differenzdruckmessung vor und nach dem Partikelfilter 18, 18' erfolgen kann.
  • Alternativ kann der Partikelfilter 18, 18' auch wie in 4 beschrieben regeneriert werden. In diesem Fall werden die Heizphase und die Regenerationsphase gleichzeitig durchgeführt. Dazu wird die Brennkraftmaschine 10 mit fettem Gemisch betrieben, vorzugsweise mit einem Verbrennungsluftverhältnis von λE = 0,9–0,95. Gleichzeit wird, vorzugsweise kontinuierlich, Sekundärluft in den Abgaskanal 12 eingeblasen, so dass sich ein mageres vermischtes Verbrennungsluftverhältnis, welches auch als Mischungsluftverhältnis bezeichnet wird, von λm > 1, vorzugsweise λm = 1,1, einstellt. Somit werden gleichzeitig die unverbrannten Bestandteile des Kraftstoffs exotherm oxidiert und es steht genügend Sauerstoff zur Verfügung, um den im Partikelfilter 18, 18' zurückgehaltenen Ruß umzusetzen.
  • Die beiden in 3 und 4 beschriebenen Verfahren können mit beiden dargestellten Konfigurationen des Abgaskanals 12 umgesetzt werden. Vorzugsweise wird das Verfahren gemäß 3 durchgeführt, das bei diesem Verfahren immer wenigstens einer der Drei-Wege-Katalysatoren 14, 16 (beziehungsweise 18') mit einem stöchiometrischen Mischungsluftverhältnis betrieben wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Brennkraftmaschine
    12
    Abgaskanal
    14
    erster Drei-Wege-Katalysator
    16
    zweiter Drei-Wege-Katalysator
    18
    Partikelfilter
    18'
    katalytisch beschichteter Partikelfilter
    20
    Mittel zur Sekundärlufteinbringung
    22
    Sekundärluftventil
    24
    Sekundärluftleitung
    26
    Luftleitungsabschnitt
    28
    Verdichter
    30
    Turbolader
    32
    Lambda-Sonde
    34
    Turbine
    36
    Ansaugleitung
    38
    Drosselklappe
    40
    Ladeluftkühler
    42
    Luftfilter
    44
    Antriebswelle
    50
    Luftversorgungssystem
    λE
    Verbrennungsluftverhältnis
    λm
    Mischungsluftverhältnis
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10361791 A1 [0003]
    • DE 102010046747 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine (10), insbesondere eines Ottomotors, umfassend einen Abgaskanal (12), einen im Abgaskanal (12) angeordneten ersten Drei-Wege-Katalysator (14), einen in Strömungsrichtung des Abgases nachfolgenden Partikelfilter (18, 18') und in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Partikelfilter (18, 18') angeordneten Mitteln zur Sekundärlufteinbringung (20) in den Abgaskanal (12), wobei in Strömungsrichtung des Abgases zwischen den Mitteln zur Sekundärlufteinbringung (20) und dem Partikelfilter (18, 18') ein zweiter Drei-Wege-Katalysator (16) im Abgaskanal (12) angeordnet ist oder der Partikelfilter (18') eine drei-Wege-katalytische Beschichtung aufweist, umfassend folgende Schritte: – Betreiben der Brennkraftmaschine (10) mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis, – Ermitteln eines Beladungszustandes eines im Abgaskanal (12) der Brennkraftmaschine (10) angeordneten Partikelfilters (18, 18'), – wenn der Beladungszustand eine Regeneration des Partikelfilters (18, 18') erfordert, Anhebung der Abgastemperatur auf eine Regenerationstemperatur des Partikelfilters (18, 18') durch zumindest zeitweiliges Verstellen einer Gemischbildung für die Brennkraftmaschine (10) auf fett und zumindest zeitweiliges Einbringen von Sekundärluft in den Abgaskanal (12), so dass in einer Heizphase des Partikelfilters (18, 18') in dem zweiten Drei-Wege-Katalysator (16) oder dem katalytisch beschichteten Partikelfilter (18') das fette Verbrennungsabgas durch die Sekundärluft exotherm oxidiert wird, und – Betreiben der Brennkraftmaschine (10) während einer Regenerationsphase des Partikelfilters (18, 18') mit fettem oder stöchiometrischem Gemisch.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Heizphase des Partikelfilters (18, 18') die Brennkraftmaschine (10) mit einem fetten Gemisch und während der Regenerationsphase des Partikelfilters (18, 18') mit einem stöchiometrischen Gemisch betrieben wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Heizphase durch die Sekundärlufteinbringung ein stöchiometrisches Mischungsluftverhältnis im Abgaskanal (12) vor Eintritt in den zweiten Drei-Wege-Katalysator (16) beziehungsweise den katalytisch beschichteten Partikelfilter (18') eingestellt wird, und in der Regenerationsphase ein überstöchiometrisches Mischungsluftverhältnis eingestellt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regeneration des Partikelfilters (18, 18') mehrfach zwischen der Heizphase und der Regenerationsphase alternierend gewechselt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während der Heizphase als auch während der Regenerationsphase jeweils der erste oder der zweite Drei-Wege-Katalysator (14, 16) beziehungsweise der erste Drei-Wege-Katalysator (14) oder der katalytisch beschichtete Partikelfilter (18') mit einem stöchiometrischen Verbrennungs- oder Mischungsluftverhältnis betrieben wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine während der Heizphase und während der Regenerationsphase des Partikelfilters (18, 18') mit fettem Gemisch betrieben wird, wobei in beiden Phasen eine derartige Menge an Sekundärluft eingeblasen wird, dass das Mischungsluftverhältnis bei Eintritt in den Partikelfilter (18, 18') einen hinreichend großen Sauerstoffüberschuss aufweist und der Ruß im Partikelfilter (18, 18') oxidiert wird.
  7. Vorrichtung zur Reinigung des Abgases einer Brennkraftmaschine (10), insbesondere eines Ottomotors, mit einem Abgaskanal (12), einem im Abgaskanal (12) angeordneten ersten Drei-Wege-Katalysator (14), einem in Strömungsrichtung des Abgases nachfolgenden Partikelfilter (18, 18'), und mit in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Partikelfilter (18, 18') angeordneten Mitteln zur Sekundärlufteinbringung (20) in den Abgaskanal (12), dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Abgases zwischen den Mitteln zur Sekundärlufteinbringung (20) und dem Partikelfilter (18, 18') ein zweiter Drei-Wege-Katalysator (16) im Abgaskanal (12) angeordnet ist oder der Partikelfilter (18') eine drei-Wege-katalytische Beschichtung aufweist und die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Sekundärlufteinbringung (20) ein Sekundärluftventil (22) umfassen.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Sekundärlufteinbringung (20) eine Sekundärluftleitung (24) umfassen, welche eine Luftleitungsabschnitt (26) zwischen einem Verdichter (28) und der Brennkraftmaschine (10) mit dem Abgaskanal (12) verbindet.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgaskanal (12) zwischen dem zweiten Drei-Wege-Katalysator (16) und dem Partikelfilter (18, 18') oder in Strömungsrichtung hinter dem Partikelfilter (18, 18') eine Lambda-Sonde (32) im Abgaskanal (12) angeordnet ist.
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