DE102015215365A1 - Verfahren zur Regeneration von Abgasnachbehandlungskomponenten eines Verbrennungsmotors sowie Abgasnachbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

Verfahren zur Regeneration von Abgasnachbehandlungskomponenten eines Verbrennungsmotors sowie Abgasnachbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors (10) mit einem ersten NOx-Speicherkatalysator (12), einem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors (10) stromab des ersten NOx-Speicherkatalysators (12) angeordneten Partikelfilter (16) sowie einem stromab des ersten NOx-Speicherkatalysators (12) angeordneten zweiten NOx-Speicherkatalysator (18), umfassend folgende Schritte: – Betreiben des Verbrennungsmotors (10) mit einem überstöchiometrischen oder stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis, wobei NOx-Emissionen in dem ersten NOx-Speicherkatalysator (12) und in dem zweiten NOx-Speicherkatalysator (18) in Form von Nitraten eingelagert werden und Rußpartikel in dem Partikelfilter (16) eingelagert werden; – wenn eine Notwendigkeit zur Regeneration zumindest des zweiten NOx-Speicherkatalysators (18) oder des Partikelfilters (16) detektiert wird; Aufheizen des Abgases in einem Abgaskanal (20) des Verbrennungsmotors (10), bis eine zur Regeneration der NOx-Speicherkatalysatoren (12, 18) und des Partikelfilters (16) notwendige Regenerationstemperatur erreicht ist; – Regenerieren des ersten NOx-Speicherkatalysators (12), des zweiten NOx-Speicherkatalysators (18) und des Partikelfilters (16) durch alternierendes Betreiben des Verbrennungsmotors (10) mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis und einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis. Die Erfindung umfasst ferner eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors sowie eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
  • Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellen hohe Anforderungen an motorische Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Weiterhin sind die Fahrzeug- und Motorenhersteller angehalten, den Verbrauch der Verbrennungsmotoren und die damit verbundenen CO2-Emissionen zu reduzieren. Dies führt unter anderem dazu, dass für Verbrennungsmotoren verbrauchsoptimierte Brennverfahren entwickelt werden. Eine Möglichkeit, den Verbrauch eines Ottomotors zu reduzieren, ist ein Magerbrennverfahren, also ein Brennverfahren, bei dem der Verbrennungsmotor weitestgehend mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird. Da bei einem Magerbrennverfahren die NOx-Emissionen nicht mehr hinreichend mit einem konventionellen Drei-Wege-Katalysator aus dem Abgas umgesetzt werden können, sind zusätzliche Katalysatoren wie NOx-Speicherkatalysatoren erforderlich. Dabei werden die NOx-Emissionen als Nitrate im NOx-Speicherkatalysator eingelagert. Diese NOx-Speicherkatalysatoren müssen periodisch mithilfe einer motorischen Fettphase regeneriert werden. In Kraftstoffen können unterschiedlich hohe Konzentrationen von Schwefel vorhanden sein. Diese führen im Betrieb des Verbrennungsmotors zu einer Verringerung der Speicherkapazität der NOx-Speicherkatalysatoren. Dieser Effekt ist reversibel und kann mithilfe geeigneter Maßnahmen rückgängig gemacht werden. Eine Möglichkeit zur Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators ist die Entschwefelung durch eine Phase einer motorischen Verbrennung mit einem fetten, unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis. Der in dieser Phase auftretende Ammoniak kann in einem Katalysator zur selektiven Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) eingespeichert werden und im weiteren Betrieb zur Abgasnachbehandlung genutzt werden. Ferner wird mit Einführung der Abgasnorm EU6 für Ottomotoren ein Grenzwert für die Partikelemission vorgeschrieben, sodass es auch bei Otto-Motoren zur Notwendigkeit des Einsatzes eines Partikelfilters kommen kann. Der Partikelfilter kann sich im Betrieb mit Rußpartikeln beladen, wobei ein Abgasgegendruck im Abgaskanal mit der Beladung zunimmt. Diese Beladung führt dazu, dass der Partikelfilter periodisch regeneriert werden muss, damit der Abgasgegendruck nicht in unzulässige Bereiche ansteigt und den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors herabsetzt.
  • Aus der DE 10 2006 017 300 A1 ist ein Verfahren zur Regeneration und Entschwefelung eines NOx-Speicherkatalysators und eines Rußpartikelfilters bekannt, bei dem ein mit hoher Frequenz alternierender Wechsel von unterstöchiometrischem und überstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors vorgesehen ist, sodass der NOx-Speicherkatalysator und der Partikelfilter quasi gleichzeitig regeneriert werden.
  • Nachteilig an einem solchen Verfahren ist jedoch, dass bei jedem Wechsel zwischen unterstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis und überstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis die Sauerstoffspeicher im Abgaskanal befüllt beziehungsweise entleert werden, sodass die Effektivität eines solchen Verfahrens bei der Verwendung von Drei-Wege-Katalysatoren relativ gering ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein solches Regenerationsverfahren weiterzubilden, die Qualität der Abgasreinigung weiter zu verbessern und den Mehrverbrauch bei der Regeneration der Abgasnachbehandlungsvorrichtung zu minimieren.
  • Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Regeneration einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors mit einem ersten NOx-Speicherkatalysator, einem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors stromab des ersten NOx-Speicherkatalysators angeordneten Partikelfilter sowie eines stromab des ersten NOx-Speicherkatalysators angeordneten zweiten NOx-Speicherkatalysators, gelöst, welches folgende Schritte umfasst:
    • – Betreiben des Verbrennungsmotors mit einem stöchiometrischen oder überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis, wobei NOx-Emissionen in dem ersten NOx-Speicherkatalysator und in dem zweiten NOx-Speicherkatalysator in Form von Nitraten eingelagert werden und Rußpartikel in dem Partikelfilter eingelagert werden;
    • – wenn eine Notwendigkeit zur Regeneration zumindest des zweiten NOx-Speicherkatalysators oder des Partikelfilters detektiert wird, Aufheizen des Abgases in einem Abgaskanal des Verbrennungsmotors, bis eine zur Regeneration der NOx-Speicherkatalysatoren und des Partikelfilters notwendige Regenerationstemperatur erreicht ist;
    • – Regenerieren des ersten NOx-Speicherkatalysators, des zweiten NOx-Speicherkatalysators und des Partikelfilters durch alternierendes Betreiben des Verbrennungsmotors mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis und einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis.
  • Durch einen ersten und einen zweiten NOx-Speicherkatalysator und einen Partikelfilter kann eine verbesserte Abgasreinigung erzielt werden, wobei eine gemeinsame Regeneration der NOx-Speicherkatalysatoren und des Rußpartikelfilters energetisch günstiger ist als eine separate, einzelne Regeneration der Komponenten, da für die gemeinsame Regeneration nur eine Heizphase benötigt wird, in der das Abgas im Abgaskanal bis zu einer Regenerationstemperatur aufgeheizt wird. Dadurch werden insgesamt weniger Heizphasen zur Regeneration der Abgasnachbehandlungskomponenten benötigt und der Gesamtverbrauch gegenüber einer einzelnen, separaten Regeneration der Abgasnachbehandlungskomponenten reduziert. Erfindungsgemäß kann bei diesem Verfahren zudem die Wärme, die bei der Regeneration des ersten NOx-Speicherkatalysators entsteht, zur Aufheizung und zum Erreichen einer Regenerationstemperatur des Partikelfilters genutzt werden. Bei der Regeneration der NOx-Speicherkatalysatoren handelt es sich primär um eine Desulfatisierung (Entschwefelung) der NOx-Speicherkatalysatoren, das heißt der Entfernung von eingelagerten Schwefeloxiden. Da die Dauer und die Temperatur zur Desulfatisierung der NOx-Speicherkatalysatoren in etwa der Dauer und der Temperatur zur Regeneration des Partikelfilters entspricht, können diese beiden Regenerationen vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Dauer der Regeneration durch eine modellbasierte Berechnung gesteuert wird. Während die Regeneration der NOx-Speicherkatalysatoren bezüglich der darin gebundenen Nitrate als abgeschlossen angesehen wird, wenn im Abgaskanal stromab des zweiten NOx-Speicherkatalysators ein unterstöchiometrisches, fettes Verbrennungsluftverhältnis detektiert wird, reicht dies zum Erkennen einer hinreichenden Desulfatisierung nicht aus. Während der Regeneration der NOx-Speicherkatalysatoren und des Partikelfilters wird das Verbrennungsluftverhältnis λE des Verbrennungsmotors alternierend zwischen einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λE < 1 zur Entschwefelung der NOx-Speicherkatalysatoren und einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λE > 1 zur Regeneration des Partikelfilters gewechselt. Dabei wird der Schwefel in den NOx-Speicherkatalysatoren durch das unterstöchiometrische, fette Verbrennungsluftverhältnis entfernt. Nach vollständiger Regeneration der NOx-Speicherkatalysatoren führt ein weiterer Betrieb des Verbrennungsmotors mit einem unterstöchiometrischen, fetten Verbrennungsluftverhältnis zu einem fetten Überfahren des zweiten NOx-Speicherkatalysators, sodass sich im Abgaskanal stromab des zweiten NOx-Speicherkatalysators ein unterstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis einstellt. Dieses Absinken der Sauerstoffkonzentration stromab des zweiten NOx-Speicherkatalysators kann beispielsweise durch eine Lambda-Sonde einfach detektiert werden. Entsprechend der modellbasierten Berechnung wird der NOx-Speicherkatalysator dann noch eine gewisse Zeit fett überfahren, bis eine weitestgehend vollständige Desulfatisierung der NOx-Speicherkatalysatoren angenommen wird.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Aufheizen des Abgases in einer Regenerationsphase durch eine Zündwinkelverstellung des Verbrennungsmotors in Richtung „spät“ erfolgt oder unterstützt wird. Dadurch sind keine zusätzlichen Heizelemente oder weitere Maßnahmen zur Erhöhung der Abgastemperatur wie beispielsweise eine Sekundärlufteinblasung notwendig.
  • Gemäß einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das überstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis λE > 1 in einem Bereich zwischen 1,05 und 1,2 und das unterstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis λE < 1 in einem Bereich zwischen 0,85 und 0,95, bevorzugt zwischen 0,9 und 0,93, gewählt wird. Ein überstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis λE > 1 ist zur Regeneration des Partikelfilters, das heißt zur Oxidation der im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußpartikel, notwendig. Dabei ist ein Verbrennungsluftverhältnis von λE zwischen 1,05 und 1,2 vorteilhaft, da in diesem Bereich zum einen hinreichend viel Sauerstoff zur Oxidation des Rußes zur Verfügung steht, zum anderen die Sauerstoffkonzentration aber gering genug ist, um ein unkontrolliertes Durchbrennen und eine damit verbundene dauerhafte Schädigung oder Zerstörung des Partikelfilters zu verursachen. Ein unterstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis λE < 1 ist zum Abbau der Nitrate und Sulfate im NOx-Speicherkatalysator notwendig. Bei diesem Verbrennungsluftverhältnis kann einerseits das Entstehen von größeren Mengen an Ruß verhindert werden, was zu einer starken Beladung eines Partikelfilters oder zu entsprechenden Endrohremissionen führen würde. Daher ist ein Verbrennungsluftverhältnis λE von 0,9 bis 0,93 in der unterstöchiometrischen Fett-Phase des Verbrennungsmotors besonders vorteilhaft. Andererseits entsteht bei diesem Verbrennungsluftverhältnis Ammoniak, welches in einer SCR-Beschichtung des Partikelfilters eingespeichert werden kann und somit in einem nachfolgenden Magerbetrieb, also einer Phase, in der der Verbrennungsmotor mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird, zum Abbau von NOx-Emissionen genutzt wird.
  • Gemäß einer weiteren Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das unterstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis und das überstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis in Zeitintervallen von 50–200s, vorzugsweise 80–120s, gewechselt werden. Dadurch können abwechselnd die NOx-Speicherkatalysatoren entschwefelt und der Rußpartikelfilter regeneriert werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterführung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Regeneration in einem Bereich von 600°C bis 650°C gewählt wird. In diesem Temperaturbereich ist sowohl ein hinreichendes Temperaturniveau zur Entschwefelung der NOx-Speicherkatalysatoren als auch des Partikelfilters erreicht. Die Temperatur ist jedoch nicht so hoch, dass eine dauerhafte thermische Schädigung der NOx-Speicherkatalysatoren oder des Partikelfilters zu befürchten wären.
  • Erfindungsgemäß wird gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ferner eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einem Abgaskanal vorgeschlagen, wobei in dem Abgaskanal ein erster, motornaher NOx-Speicherkatalysator und ein zweiter, motorferner NOx-Speicherkatalysator sowie ein Partikelfilter angeordnet sind, wobei der Partikelfilter und der zweite NOx-Speicherkatalysator stromab des ersten NOx-Speicherkatalysators angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgaskanal stromab des zweiten NOx-Speicherkatalysators eine Lambda-Sonde zur Erfassung eines Regenerationszustandes des zweiten NOx-Speicherkatalysators angeordnet ist. Mit einer solchen Abgasnachbehandlungsvorrichtung kann ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt werden. Durch eine stromab der NOx-Speicherkatalysatoren angeordneten Lambda-Sonde kann eine Onboard-Diagnose der NOx-Speicherkatalysatoren erfolgen. Somit ist eine einfache Steuerung beziehungsweise Regelung des Regenerationsverfahrens möglich.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Speicherkapazität des ersten NOx-Speicherkatalysators kleiner als die Speicherkapazität des zweiten NOx-Speicherkatalysators ist. Somit kann der erste NOx-Speicherkatalysator klein und kompakt ausgeführt werden, wobei der erste NOx-Speicherkatalysator mit einer erhöhten thermischen Stabilität ausgestattet ist und beispielsweise in einen Drei-Wege-Katalysator mit NOx-Speicherfunktion integriert sein kann. Der zweite NOx-Speicherkatalysator bietet ein größeres Speichervolumen, wodurch die Häufigkeit einer notwendigen Regeneration der NOx-Speicherkatalysatoren herabgesetzt werden kann beziehungsweise an die Regenerationszyklen des Partikelfilters angepasst werden kann.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass der erste NOx-Speicherkatalysator motornah und der zweite NOx-Speicherkatalysator sowie der Partikelfilter in einer motorfernen Position, insbesondere in einer Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges, angeordnet sind. Dabei wird unter einer motornahen Anordnung ein mittlerer Abgaslaufweg von höchstens 50 cm, insbesondere von höchstens 30 cm, nach einem Zylinderauslass des Verbrennungsmotors verstanden. Durch diese Nähe zum Verbrennungsmotor wird ein besonders schnelles Anspringen des ersten NOx-Speicherkatalysators beziehungsweise eines Drei-Wege-Katalysators mit NOx-Speicherfunktion nach einem Kaltstart erreicht, sodass dieser auch als Startkatalysator fungiert. Hingegen verhindert die motorferne Anordnung des zweiten NOx-Speicherkatalysators, dass diese Komponenten mit sehr heißen Abgasen in Kontakt kommen und es zu einer spontanen Desorption von NOx und einer thermischen Schädigung des zweiten NOx-Speicherkatalysators kommt. Zudem steht im Unterbodenbereich relativ viel Bauraum zur Verfügung. Unter einer motorfernen Anordnung wird ein mittlerer Abgaslaufweg von mindestens 80 cm, insbesondere von mindestens 100 cm, nach Zylinderauslass verstanden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Partikelfilter zwischen dem ersten NOx-Speicherkatalysator und dem zweiten NOx-Speicherkatalysator angeordnet ist und eine Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Beschichtung) aufweist. Durch eine SCR-Beschichtung kann beispielsweise bei einem zur Entschwefelung der NOx-Speicherkatalysatoren durchgeführten unterstöchiometrischen, fetten Betrieb des Verbrennungsmotors entstehendes Ammoniak auf der SCR-Beschichtung eingespeichert werden und in einem folgenden Magerbetrieb, also einem Betrieb des Verbrennungsmotors mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis, die Reduzierung der Stickstoffoxide (NOx) unterstützen.
  • Vorzugsweise ist die Vorrichtung ausgebildet und eingerichtet, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Zu diesem Zweck kann etwa eine Steuereinrichtung vorgesehen sein, in der ein computerlesbarer Algorithmus zur Ausführung des Verfahrens und gegebenenfalls notwendige Kennfelder gespeichert vorliegen. Die Steuereinrichtung kann insbesondere einen Eingangskanal zur Aufnahme eines Signals der Lambda-Sonde und/oder einen im Abgaskanal stromauf und stromab des Partikelfilters angeordneten Differenzdrucksensor aufweisen, um die Einleitung sowie das Ende der Regeneration zu bestimmen.
  • Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung,
  • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors,
  • 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors,
  • 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors,
  • 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors,
  • 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors, und
  • 7 ein Regenerationsschema zum zeitlichen Verlauf des Verbrennungsluftverhältnisses während der Regeneration der Komponenten der Abgasnachbehandlungsvorrichtung.
  • 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 mit einer Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors 10. Bei dem Verbrennungsmotor 10 handelt es sich insbesondere um einen Ottomotor, der überwiegend stöchiometrisch oder überstöchiometrisch, also mit Luftüberschuss λE > 1, betrieben wird.
  • Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung umfasst einen Abgaskanal 20, wobei in Strömungsrichtung des Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 20 ein Drei-Wege-Katalysator 26 mit einem integrierten ersten NOx-Speicherkatalysator 12, stromab des Drei-Wege-Katalysators 26 mit integriertem ersten NOx-Speicherkatalysator 12 ein Partikelfilter 16 und stromab des Partikelfilters 16 ein zweiter NOx-Speicherkatalysator 18 angeordnet sind. Stromab des zweiten NOx-Speicherkatalysators 18 ist im Abgaskanal 20 eine Lambda-Sonde 22 zur Messung des Sauerstoffgehalts im Abgas angeordnet. Der Drei-Wege-Katalysator 26 mit integriertem ersten NOx-Speicherkatalysator 12 ist bevorzugt motornah verbaut, während der Partikelfilter 16 und der zweite NOx-Speicherkatalysator 18 motorfern, bevorzugt in Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges, verbaut sind.
  • Der Drei-Wege-Katalysator 26 mit integriertem NOx-Speicherkatalysator 21 weist eine katalytische Beschichtung auf, die in der Lage ist, sowohl Kohlenwasserstoffe HC und Kohlenmonoxid CO zu Kohlendioxid CO2 und Wasser zu oxidieren als auch Stickoxide NOx zu Stickstoff N2 zu reduzieren. Zu diesem Zweck weist die Beschichtung insbesondere ein Element der Platingruppe, insbesondere Pt oder Pd, auf als auch ein weiteres Element, wie Rhodium Rh. Eine vollständige Umsetzung aller drei Abgaskomponenten ist jedoch nur bei einem stöchiometrischen Abgas (λ = 1) möglich. Der Partikelfilter 16 ist in der Lage, Rußpartikel aus dem Abgas zu filtern und diese zurückzuhalten. Der zweite NOx-Speicherkatalysator 18 weist in seiner Beschichtung eine NOx-Speicherkomponente auf, insbesondere ein Alkali- oder Erdalkalimetallcarbonat, beispielsweise Bariumcarbonat BaCO3, welches unter mageren Bedingungen NOx in Form von Nitrat, beispielsweise Bariumnitrat Ba(NO3)2 speichert. In fetten Betriebsphasen setzt das Nitrat die Stickoxide wieder frei. Um diese zu reduzieren enthält der NOx-Speicherkatalysator 18 zudem ein katalytisches Metall, beispielsweise Pt oder Rh, welches diese Reduzierung katalysiert.
  • In 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Bei weitestgehend gleichem Aufbau wird im Folgenden nur auf die Unterschiede gegenüber 1 eingegangen. In diesem Beispiel weist der Partikelfilter 16 eine Beschichtung zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Beschichtung) 24 auf. Die SCR wirksame Beschichtung 24 kann beispielsweise bei der unterstöchiometrischen Verbrennung auftretenden Ammoniak einspeichern und diesen in einer nachfolgenden Magerphase nutzen, um die Reduktion der Stickoxide (NOx) zu unterstützen.
  • In 3 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsnachbehandlungsvorrichtung dargestellt. Bei weitestgehend gleichem Aufbau wird im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen. Gegenüber der Ausgestaltung gemäß 1 ist hier zusätzlich ein weiterer Drei-Wege-Katalysator 30 zwischen einem Auslass des Verbrennungsmotors 10 und dem Drei-Wege-Katalysator 26 mit integriertem ersten NOx-Speicherkatalysator 12 angeordnet.
  • In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung dargestellt. Bei weitestgehend gleichem Aufbau wird im Folgenden nur auf die Unterschiede zur Ausführung gemäß 3 eingegangen. Der Partikelfilter 16 weist zusätzlich eine SCR-Beschichtung 24 auf, mit der eine Reduktion von Stickoxiden möglich ist.
  • In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung dargestellt. Bei weitestgehend gleichem Aufbau wie in 1 ist hier der Drei-Wege-Katalysator 26 mit integriertem NOx-Speicherkatalysator 12 durch einen Drei-Wege-Katalysator 30 und einen separaten ersten NOx-Speicherkatalysator 12 ersetzt. Dadurch werden die einzelnen Komponenten weniger komplex, sodass bei einem Defekt die entsprechende Komponente ausgewechselt werden kann, es muss jedoch ein zusätzlichen Bauteil in den Abgaskanal 20 integriert werden, was zum einen den Platzbedarf und zum anderen den Montageaufwand erhöht.
  • In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung dargestellt. Bei weitestgehend gleichem Aufbau wie in 5 weist der Partikelfilter zusätzlich eine SCR-wirksame Beschichtung 24 auf.
  • In 7 ist ein Diagramm mit einem zeitlichen Verlauf des Verbrennungsluftverhältnisses des Verbrennungsmotors 10 bei der Regeneration der Komponenten 12, 16, 18 im Abgaskanal 20 dargestellt. Im Betrieb des Verbrennungsmotors 10 entstehen Emissionen, die durch die Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung aus dem Abgas des Verbrennungsmotors 10 konvertiert werden müssen. Das hierzu dienende erfindungsgemäße Verfahren zur Regeneration der Abgasnachbehandlungsvorrichtung kann in drei Phasen unterteilt werden.
  • In einem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors 10, welcher als Beladephase der NOx-Speicherkatalysators 12, 18 und als Beladephase des Partikelfilters 16 bezeichnet werden kann, wird der Verbrennungsmotor 10 in einem Magerbetrieb, mit überstöchiometrischem oder einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis, betrieben. Im Magerbetrieb können die entstehenden NOx-Emissionen nicht durch einen der Drei-Wege-Katalysatoren 26, 30 reduziert werden, sodass die NOx-Emissionen auf dem ersten NOx-Speicherkatalysator 12 und dem zweiten NOx-Speicherkatalysator 18 in Form von Nitraten eingespeichert werden. Stromab des zweiten NOx-Speicherkatalysators 18 wird somit keine oder nur eine sehr geringe NOx-Konzentration im Abgas gemessen. Der NOx-Speicherkatalysator 18 hat nur eine begrenzte Speicherkapazität, sodass er periodisch regeneriert werden muss. Ist dies der Fall, schließt sich eine Regeneration der Abgasnachbehandlungsvorrichtung an.
  • In einer ersten Phase wird die Abgasanlage durch eine Erhöhung der Abgastemperatur des Verbrennungsmotors 10 aufgeheizt. Für eine effektive Regeneration des Partikelfilters wird eine Mindesttemperatur von ca. 600 °C benötigt. Die Entschwefelung der NOx-Speicherkatalysatoren 12, 18 sowie eines Drei-Wege-Katalysators 26 mit integriertem ersten NOx-Speicherkatalysator 12 erfordert ein ähnliches Temperaturniveau. Dieses Temperaturniveau wird durch bekannte Verfahren wie beispielsweise eine Zündwinkelverstellung des Verbrennungsmotors in Richtung „spät“ eingestellt.
  • In der zweiten Phase wird der erste NOx-Speicherkatalysator 12 und der zweite NOx-Speicherkatalysator 18 oder ein Drei-Wege-Katalysator 26 mit integriertem ersten NOx-Speicherkatalysator 12 und der zweiter NOx-Speicherkatalysator 18 bei dem erhöhtem Temperaturniveau und einem unterstöchiometrischen, fetten Verbrennungsluftverhältnis desorbiert und der eingelagerte Schwefel und/oder die eingelagerten Schwefelverbindungen chemisch umgewandelt. Dazu wird im Anschluss an die vorhergehend beschriebene Heizphase ein Verbrennungsluftverhältnis von 0,85–0,95, vorzugsweise ca. 0,92 eingestellt. Dieses Verbrennungsluftverhältnis wird so lange aufrechterhalten, bis die Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC) aller Komponenten im Abgaskanal ausgeräumt ist und der zweite NOx-Speicherkatalysator 18 in der Unterbodenlage des Kraftfahrzeuges fett, also unterstöchiometrisch, überfahren wird. Dies ist beispielsweise durch ein Signal der Lambda-Sonde 22 im Abgaskanal 20 stromab des zweiten NOx-Speicherkatalysators 18 zu erkennen. Alternativ kann dieser Zustand auch über ein Berechnungsmodell ermittelt werden.
  • In der dritten Phase wird der Partikelfilter 18 durch eine Magerverstellung des Verbrennungsmotors 10 regeneriert. Die Regeneration des Partikelfilters 16 benötigt neben dem erhöhten Temperaturniveau einen Restsauerstoffanteil im Abgas, um den Kohlenstoff der Rußpartikel oxidieren zu können. Dazu wird direkt im Anschluss auf das in der zweiten Phase vorliegende unterstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis eine motorische Magerphase mit überstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis eingeleitet. Durch einen geringen Sauerstoffüberschuss, beispielsweise im Bereich λE = 1,05 wird eine zu hohe Umsatzrate des Rußes vermieden, welche zu einem unkontrollierten Rußabbrand, einer damit verbundenen Temperaturerhöhung und einer thermischen Beschädigung oder Zerstörung des Partikelfilters 16 führen könnte.
  • Die zweite und die dritte Phase des Regenerationsverfahrens werden wechselseitig so lange betrieben, bis der erste NOx-Speicherkatalysator oder der Drei-Wege-Katalysator mit integriertem NOx-Speicherkatalysator sowie der zweite NOx-Speicherkatalysator als entschwefelt gelten. Ferner darf der Partikelfilter 16 keine oder nur noch eine sehr geringe Rußbeladung aufweisen, was beispielsweise über eine Differenzdruckmessung vor und nach dem Partikelfilter 16 im Abgaskanal 20 ermittelbar ist. Bei einem Absinken der Temperatur, beispielsweise in einem Schwachlastpunkt des Verbrennungsmotors kann es erforderlich sein, dass zwischen der zweiten und der dritten Phase oder zwischen der dritten Phase und der zweiten Phase eine weitere Heizphase integriert werden muss, insbesondere dann, wenn die Temperatur an dem Partikelfilter 16 oder dem zweiten NOx-Speicherkatalysator 18 in Unterbodenlage unter die zur Regeneration notwendige Mindesttemperatur sinkt. Durch die Kombination der Entschwefelung des ersten NOx-Speicherkatalysators 12 beziehungsweise des Drei-Wege-Katalysators 26 mit integriertem NOx-Speicherkatalysator 12, des zweiten NOx-Speicherkatalysators 18 sowie des Partikelfilters 16 werden die verbrauchsintensiven Heizphasen reduziert und somit insgesamt ein geringerer Mehrverbrauch bei der Regeneration der Abgasnachbehandlungsvorrichtung erzielt.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Verbrennungsmotor
    12
    erster NOx-Speicherkatalysator
    16
    Partikelfilter
    18
    zweiter NOx-Speicherkatalysator
    20
    Abgaskanal
    22
    Lambda-Sonde
    24
    SCR-Beschichtung
    26
    Drei-Wege-Katalysator mit NOx-Speicherfunktion
    30
    Drei-Wege-Katalysator
    λE
    Verbrennungsluftverhältnis
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102006017300 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Regeneration einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors (10) mit einem ersten NOx-Speicherkatalysator (12), einem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors (10) stromab des ersten NOx-Speicherkatalysators (12) angeordneten Partikelfilter (16) sowie einem stromab des ersten NOx-Speicherkatalysators (12) angeordneten zweiten NOx-Speicherkatalysator (18), umfassend folgende Schritte: – Betreiben des Verbrennungsmotors (10) mit einem überstöchiometrischen oder stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis, wobei NOx-Emissionen in dem ersten NOx-Speicherkatalysator (12) und in dem zweiten NOx-Speicherkatalysator (18) in Form von Nitraten eingelagert werden und Rußpartikel in dem Partikelfilter (16) eingelagert werden; – wenn eine Notwendigkeit zur Regeneration zumindest des zweiten NOx-Speicherkatalysators (18) oder des Partikelfilters (16) detektiert wird; Aufheizen des Abgases in einem Abgaskanal (20) des Verbrennungsmotors (10), bis eine zur Regeneration der NOx-Speicherkatalysatoren (12, 18) und des Partikelfilters (16) notwendige Regenerationstemperatur erreicht ist; – Regenerieren des ersten NOx-Speicherkatalysators (12), des zweiten NOx-Speicherkatalysators (18) und des Partikelfilters (16) durch alternierendes Betreiben des Verbrennungsmotors (10) mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis und einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneration eine Entschwefelung der NOx-Speicherkatalysatoren (12, 18) umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen des Abgases in einer Regenerationsphase durch eine Zündwinkelverstellung des Verbrennungsmotors (10) in Richtung „spät“ erfolgt oder unterstützt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das überstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis in einem Bereich zwischen 1,05 und 1,2 und das unterstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis in einem Bereich von 0,85 bis 0,95, bevorzugt von 0,9 bis 0,93, gewählt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das unterstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis und das überstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis in Zeitintervallen von 50 bis 200s, vorzugsweise von 80 bis 120s, gewechselt werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneration in einem Bereich von 600°C bis 650°C durchgeführt wird.
  7. Abgasnachbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor (10), mit einem Abgaskanal (20), wobei in dem Abgaskanal (20) ein erster, motornaher NOx-Speicherkatalysator (12) und ein zweiter, motorferner NOx-Speicherkatalysator (18) sowie ein Partikelfilter (16) angeordnet sind, wobei der Partikelfilter (16) und der zweite NOx-Speicherkatalysator (18) stromab des ersten NOx-Speicherkatalysators (12) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgaskanal (20) stromab des zweiten NOx-Speicherkatalysators (18) eine Lamdba-Sonde (22) zur Erfassung eines Regenerationszustandes des zweiten NOx-Speicherkatalysators (18) angeordnet ist, wobei die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 eingerichtet ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherkapazität des ersten NOx-Speicherkatalysators (12) kleiner als die Speicherkapazität des zweiten NOx-Speicherkatalysators (18) ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste NOx-Speicherkatalysator (12) in einen Drei-Wege-Katalysator (14) integriert ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (16) zwischen dem ersten NOx-Speicherkatalysator (12) und dem zweiten NOx-Speicherkatalysator (18) angeordnet ist und eine Beschichtung (24) zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Beschichtung) aufweist.
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