DE102015215373A1

DE102015215373A1 - Verfahren zur Regeneration von Abgasnachbehandlungskomponenten eines Verbrennungsmotors sowie Abgasnachbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102015215373A1
Application number: DE102015215373.8A
Authority: DE
Inventors: Stefan PAUKNER; Lars Schlüter; Michael Thiele
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-08-12
Filing date: 2015-08-12
Publication date: 2017-02-16
Also published as: CN106437973A; CN106437973B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors. Die Vorrichtung umfasst einen aufladbaren, fremdgezündeten Verbrennungsmotor (10), umfassend einen Frischluftkanal (12) und einen Abgaskanal (20), wobei im Frischluftkanal (12) ein Verdichter (14) zur Verdichtung der Frischluft und stromab des Verdichters (14) eine Sekundärluftleitung (16) vorgesehen ist, welche den Frischluftkanal (12) mit dem Abgaskanal (20) verbindet, wobei im Abgaskanal (20) ein Drei-Wege-Katalysator (22) und stromab des Drei-Wege-Katalysators (22) ein Partikelfilter (24) angeordnet ist. Das Verfahren umfasst folgende Prozesse: – Ermittlung eines Beladungszustandes des Partikelfilters (24), – Wenn der Beladungszustand eine Regeneration des Partikelfilters (24) erfordert, Anhebung der Abgastemperatur auf eine Regenerationstemperatur des Partikelfilters (24) durch zumindest zeitweiliges Verstellen einer Gemischbildung für den Verbrennungsmotor (10) auf ein unterstöchiometrisches (fettes) Verbrennungsluftverhältnis (λE < 1) und zumindest zeitweise gleichzeitiges Einbringen von Sekundärluft in den Abgaskanal (20) stromauf des Drei-Wege-Katalysators (22), wobei – die unverbrannten Kohlenwasserstoffe im Abgaskanal (20) durch die Sekundärluft exotherm umgesetzt werden, und – in einer Regenerationsphase des Partikelfilters (24) die Sekundärluftmenge derart erhöht wird, dass sich im Abgaskanal (20) vor Eintritt in den Partikelfilter (24) ein überstöchiometrisches Mischungsluftverhältnis (λM > 1) einstellt, sodass Ruß auf dem Partikelfilter (24) durch den Sauerstoffüberschuss oxidiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines aufladbaren, fremdgezündeten Verbrennungsmotors sowie eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens 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 Gesetzgebungsstufe EU6 wird für Ottomotoren ein Grenzwert für eine Partikelanzahl vorgeschrieben, der in vielen Fällen den Einsatz eines Ottopartikelfilters notwendig macht. 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 Temperaturerhöhung durch eine Zündwinkelverstellung, eine zeitweise Magerverstellung des Ottomotors, das Einblasen von Sekundärluft in die Abgasanlage oder eine Kombination dieser Maßnahmen infrage. Bevorzugt wird bislang eine Zündwinkelverstellung in Richtung spät in Kombination mit einer Magerverstellung des Ottomotors angewandt, da dieses Verfahren ohne zusätzliche Bauteile auskommt und in den meisten Betriebspunkten des Ottomotors eine ausreichende Sauerstoffmenge liefern kann.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der DE 10 2013 220 899 A1 bekannt. Dabei ist eine Lambda-Regelung für den Ottomotor vorgesehen, wobei das Verbrennungsluftverhältnis zur Regeneration des Partikelfilters ausgehend von einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis in Richtung eines überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis verstellt wird, und mit dem Sauerstoffüberschuss eine Regeneration des Partikelfilters durch ein Oxidieren des Rußes erreicht wird. Nachteilig an einem solchen Verfahren ist jedoch, dass gerade in Schwachlastzyklen des Verbrennungsmotors eine zur Regeneration des Partikelfilters notwendige Temperatur nicht mit Sicherheit erreicht wird.
Aus der DE 10 2011 118 337 A1 ist eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung bekannt, bei der mittels eines Turboladers Ansaugluft verdichtet und als Sekundärluft stromab eines Drei-Wege-Katalysators und stromauf eines Partikelfilters in den Abgaskanal eingebracht wird. Dabei wird der Verbrennungsmotor mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis, bei dem eine Abgasreinigung durch den Drei-Wege-Katalysator erfolgen kann, oder mit einem überstöchiometrischen, mageren Verbrennungsluftverhältnis betrieben, bei dem die nicht im Drei-Wege-Katalysator reduzierten NOx-Emissionen in einem NOx-Speicherkatalysator eingelagert werden. Nachteilig ist, dass auch bei einer solchen Lösung im Schwachlastzyklus die zur Regeneration des Partikelfilters notwendigen Temperaturen nicht mit Sicherheit erreicht werden, insbesondere dann nicht, wenn der Partikelfilter in Unterbodenlage unter einem Kraftfahrzeug verbaut ist.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Abgasnachbehandlungsverfahren und eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung bereitzustellen, bei denen auch in Fahrzyklen mit geringer Last eine sichere Regeneration des Partikelfilters möglich ist.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines aufladbaren, fremdgezündeten Verbrennungsmotors gelöst, wobei der Verbrennungsmotor einen Frischluftkanal und einen Abgaskanal aufweist, wobei im Frischluftkanal ein Verdichter zur Verdichtung der Frischluft vorgesehen ist, und wobei stromab des Verdichters eine Sekundärluftleitung vorgesehen ist, welche den Frischluftkanal mit dem Abgaskanal verbindet, wobei im Abgaskanal ein Drei-Wege-Katalysator und stromab des Drei-Wege-Katalysators ein Partikelfilter angeordnet ist. Das Verfahren umfassend folgende Schritte:

– Ermittlung eines Beladungszustandes des Partikelfilters,
– Wenn der Beladungszustand eine Regeneration des Partikelfilters erfordert, Anhebung der Abgastemperatur auf eine Regenerationstemperatur des Partikelfilters durch zumindest zeitweiliges Verstellen einer Gemischbildung für den Verbrennungsmotor auf ein unterstöchiometrisches (fettes) Verbrennungsluftverhältnis und zumindest zeitweise gleichzeitiges Einbringen von Sekundärluft in den Abgaskanal stromauf des Drei-Wege-Katalysators, wobei
– die unverbrannten Bestandteile eines Verbrennungsgemischs des Verbrennungsmotors im Abgaskanal durch die Sekundärluft exotherm umgesetzt werden, und
– in einer Regenerationsphase des Partikelfilters die Sekundärluftmenge derart erhöht wird, dass sich im Abgaskanal vor Eintritt in den Partikelfilter ein überstöchiometrisches Mischungsluftverhältnis einstellt, sodass Ruß auf dem Partikelfilter durch den Sauerstoffüberschuss oxidiert wird.

Erfindungsgemäß ist bei diesem Verfahren vorgesehen, dass die Sekundärluft stromab der Auslassventile des Verbrennungsmotors und stromauf des Drei-Wege-Katalysators in den Abgaskanal eingeblasen wird. Dadurch können die unverbrannten Bestandteile im Abgaskanal auf dem Drei-Wege-Katalysator oder sogar stromauf des Drei-Wege-Katalysators, beispielsweise bereits im Abgaskrümmer des Verbrennungsmotors, exotherm umgesetzt werden, sodass es zu einer Aufheizung des Abgases im Abgaskanal kommt, um die Regeneration des Partikelfilters zu ermöglichen.
Der Verbrennungsmotor wird in seinem Normalbetrieb, also vor beziehungsweise während der Bestimmung des Beladungszustandes des Partikelfilters, überwiegend mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ_E = 1) betrieben.
Gemäß einer Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass in einer Heizphase des Partikelfilters der Verbrennungsmotor mit einem unterstöchiometrischen (fetten) Verbrennungsluftverhältnis λ_E < 1 betrieben wird und die Sekundärluftmenge so eingestellt, insbesondere geregelt wird, dass sich bei Eintritt in den Drei-Wege-Katalysator ein stöchiometrisches Mischungsluftverhältnis λ_M = 1 einstellt. Dadurch ist die Drei-Wege-Funktion des Drei-Wege-Katalysators während der Heizphase gewährleistet. Somit kann verglichen mit einem Verfahren, bei dem die Sekundärluft erst stromab des Drei-Wege-Katalysators in den Abgaskanal eingeblasen wird, eine schnellere Aufheizung und eine bessere Abgasreinigung erzielt werden.
Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn der Verbrennungsmotor in der Heizphase und/oder in der Regenerationsphase des Partikelfilters mit einem Verbrennungsluftverhältnis λ_E im Bereich von 0,85 bis 0,95, vorzugsweise von etwa λ_E = 0,9, betrieben wird. Bei einem solchen Verbrennungsluftverhältnis wird einerseits eine hinreichend hohe Menge an Reduktionsmitteln, insbesondere unverbrannte Kohlenwasserstoffe im Verbrennungsabgas im Abgaskanal bereitgestellt. Zum anderen kommt es in diesem Bereich noch nicht zu einer stark erhöhten Partikelemission des Verbrennungsmotors.
Zur Regeneration des Partikelfilters ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Mischungsluftverhältnis λ_M (also das Gemisch aus Verbrennungsabgas und Sekundärluft) in der Regenerationsphase im Bereich von 1,05 bis 1,2, vorzugsweise bei etwa λ_M = 1,1, eingestellt wird. In diesem Bereich liegt ein hinreichend großer Sauerstoffüberschuss vor, um den Ruß auf dem Partikelfilter zu oxidieren und den Partikelfilter zu regenerieren. Die Sauerstoffmenge ist jedoch gering genug, um ein unkontrolliertes Abbrennen des Rußes auf dem Partikelfilter und ein damit verbundenes Risiko der Schädigung des Partikelfilters zu vermeiden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Verdichter von einer Turbine im Abgaskanal angetrieben wird und die Sekundärluftleitung stromauf der Turbine in den Abgaskanal mündet, die Sekundärluft also in Abgasströmungsrichtung stromauf der Turbine dem Abgasstrom zugeführt wird. Die Verwendung eines Turboladers mit einer im Abgaskanal angeordneten Turbine und einem im Frischluftkanal angeordneten Verdichter bietet den Vorteil, dass bei einem Einblasen der Sekundärluft stromauf der Turbine in den Abgaskanal die Energie der exothermen Reaktion zum Antrieb der Turbine genutzt werden kann. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn an der Turbine ein die Turbine umgehender Bypass ausgebildet ist, welcher zur Erhöhung der Antriebsleistung des Verdichters verschlossen werden kann. Dadurch kann die Leistung in Schwachlastpunkten angehoben werden, um stets eine hinreichende Menge an Sekundärluft bereitstellen zu können. Zudem kann auf diese Weise der Druck des Verdichters erhöht werden, um ein hinreichendes Druckgefälle zwischen Frischluftleitung und Abgaskanal zu erreichen, um auch in Schwachlastpunkten Sekundärluft gegen den Abgasgegendruck im Abgaskanal in diesen einbringen zu können. Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Bypass in der Heizphase und/oder der Regenerationsphase des Partikelfilters verschlossen wird. Somit kann in den Phasen, in denen die Sekundärluft im Abgaskanal benötigt wird, die Leistung des Verdichters angehoben werden, sodass der Verdichter neben der Bereitstellung der Verbrennungsluft zusätzlich die Luftmenge für die Sekundärlufteinbringung bereitstellen kann. Der Bypass kann als Waste-Gate ausgebildet sein und durch ein entsprechendes Ventil oder eine Klappe verschließbar sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das überstöchiometrische Mischungsluftverhältnis λ_M zur Regenerationsphase des Partikelfilters für ein Zeitintervall im Bereich von 200 bis 1000 s, vorzugsweise im Bereich von 300 bis 800 s, besonders bevorzugt im Bereich von 500 bis 600 s gewählt wird. In der Regenerationsphase des Partikelfilters kann der Drei-Wege-Katalysator nicht seine volle Wirksamkeit entfalten, da am Drei-Wege-Katalysator während der Regenerationsphase ein überstöchiometrisches Mischungsluftverhältnis vorliegt. Das vorgeschlagene Zeitintervall ermöglicht es zum einen, eine hinreichende Regeneration des Partikelfilters zu erreichen und gleichzeitig das Zeitintervall, in dem der Drei-Wege-Katalysator nicht seine volle Wirksamkeit entfalten kann, möglichst gering zu halten.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Regenerationsphase die Heizphase vorgeschaltet wird und für ein Zeitintervall im Bereich von 50 bis 300s, vorzugsweise 100s aufrechterhalten wird. Durch eine separate Heizphase kann das Aufheizen des Partikelfilters bei gleichzeitig stöchiometrischem Mischungsluftverhältnis erreicht werden. Somit kann der Drei-Wege-Katalysator während der Aufheizung des Partikelfilters seine volle Wirksamkeit entfalten und wird in seiner Funktion nicht beeinträchtigt. Durch ein vorgeschaltetes, separates Aufheizen des Partikelfilters kann die Regenerationsphase im Vergleich zu einer kombinierten Heiz- und Regenerationsphase verkürzt werden und somit das Zeitintervall reduziert werden, in dem der Drei-Wege-Katalysator außerhalb seiner idealen Arbeitsbedingungen betrieben wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Temperatur des Abgases vor Eintritt in den Drei-Wege-Katalysator ermittelt wird, wobei diese Temperatur mit einer Light-Off-Temperatur des Drei-Wege-Katalysators zur Umsetzung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen verglichen wird. Bei einem Nichterreichen dieser Light-Off-Temperatur wird zunächst der Zündwinkel des Verbrennungsmotors in Richtung spät verstellt, bevor das Verbrennungsluftverhältnis λ_E angepasst wird, insbesondere auf das unterstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis λ_E < 1 der Regenerationsphase eingestellt wird. Zur exothermen Umsetzung von Kohlenwasserstoffen ist eine sogenannte Light-Off-Temperatur notwendig, um diese exotherme Reaktion zu starten. Diese kann bei Otto-Motoren und den verwendeten Kraftstoffen im Bereich von ca. 300°C bis 400°C liegen. Unterhalb dieser Temperatur ist es notwendig, weitere Maßnahmen zu ergreifen, um das Abgas zunächst in diesen Temperaturbereich zu bringen, da das vorgeschlagene Verfahren mit einer Verbrennungsluftverstellung auf ein unterstöchiometrisches, fettes Gemisch und einer exothermen Umsetzung der unverbrannten Bestandteile nur oberhalb der Light-Off-Temperatur seine Wirkung entfalten kann. Unterhalb dieser Temperatur werden die unverbrannten Kohlenwasserstoffe nicht oder nur in geringem Maße umgesetzt, sodass es neben unerwünschten HC-Emissionen nicht zu einer signifikanten Erhöhung des Abgastemperatur kommt. Um die Abgastemperatur gerade in Schwachlastphasen zu erhöhen, wird daher vorgeschlagen, zusätzlich den Zündwinkel des Verbrennungsmotors in Richtung „spät“ zu verstellen und somit die Abgastemperatur zu erhöhen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterführung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Leistung des Verdichters für einen begrenzten Zeitabschnitt, insbesondere für die Heizphase und/oder die Regenerationsphase, angehoben wird. Dadurch kann die Luftmenge des Verdichters über die Luftmenge gesteigert werden, welche vom Verbrennungsmotor für die Verbrennung benötigt wird. Diese zusätzliche Luftmenge kann dann als Sekundärluft in den Abgaskanal eingeblasen werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines aufladbaren, fremdgezündeten Verbrennungsmotors umfasst einen Frischluftkanal und einen Abgaskanal, wobei im Frischluftkanal ein Verdichter zur Verdichtung der Frischluft und wobei stromab des Verdichters eine Sekundärluftleitung vorgesehen ist, welche den Frischluftkanal mit dem Abgaskanal verbindet, und im Abgaskanal ein Drei-Wege-Katalysator und stromab des Drei-Wege-Katalysators ein Partikelfilter angeordnet ist, wobei die Sekundärluftleitung stromauf des Drei-Wege-Katalysators in den Abgaskanal mündet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht, bei einem fetten Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors zum Anheben der Abgastemperatur durch die Sekundärluft ein stöchiometrisches Mischungsluftverhältnis am Drei-Wege-Katalysator einzustellen, welches eine ideale Umsetzung der Schadstoffe auf dem Drei-Wege-Katalysator ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet und eingerichtet. Insbesondere umfasst die Vorrichtung zu diesem Zweck eine Steuerung, in der ein computerlesbarer Steueralgorithmus zur Ausführung des Verfahrens implementiert ist und optional notwenige Kennfelder gespeichert vorliegen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass in der Frischluftleitung stromab des Verdichters eine Drosselklappe angeordnet ist, wobei die Sekundärluftleitung zwischen dem Verdichter und der Drosselklappe vom Frischluftkanal abzweigt. Somit kann die Luftmenge, welche dem Verbrennungsmotor und/oder der Sekundärluftleitung zugeführt wird, durch die Drosselklappe gesteuert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Drei-Wege-Katalysator in einer motornahen Position und der Partikelfilter in einer motorfernen Position, insbesondere in einer Unterbodenposition, angeordnet sind. Dabei ist eine motornahe Position eine Position, bei der sich die Eintrittsöffnung des Drei-Wege-Katalysators weniger als 50 cm, vorzugsweise weniger als 30 cm, von einem Zylinderauslass des Verbrennungsmotors entfernt befindet. Typischerweise beträgt die mittlere Abgaslauflänge von einem Zylinderauslass bis zum Eintritt in den Partikelfilter mindestens 100 cm, insbesondere mindestens 120 cm. Diese Position wird im Rahmen dieser Anmeldung als motorferne Position bezeichnet. Durch eine motornahe Position des Drei-Wege-Katalysators wird dieser in der Startphase schneller aufgeheizt, sodass der Drei-Wege-Katalysator schneller eine Light-Off-Temperatur zur wirksamen Umsetzung von unverbrannten Bestandteilen des Verbrennungsgemischs des Verbrennungsmotors erreicht. Eine motorferne Anordnung des Partikelfilters bietet den Vorteil, dass in Unterbodenlage meist mehr Platz vorhanden ist, und der Partikelfilter somit leichter zu montieren ist. Zudem ist der Partikelfilter in Unterbodenlage vor einer thermischen Überlastung und einer damit verbundenen Zerstörung oder Alterung geschützt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Sekundärluftleitung stromauf einer in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Drei-Wege-Katalysator angeordneten Turbine in den Abgaskanal mündet. Dadurch können unverbrannte Bestandteile des Verbrennungsgemischs im Abgaskrümmer vor der Turbine exotherm umgesetzt werden und die zusätzliche, bei dieser exothermen Umsetzung freigewordene, Energie zum Antrieb der Turbine genutzt werden. Dadurch ist eine Leistungssteigerung des Motors, insbesondere eine Anhebung des Drehmoments in Schwachlastpunkten, möglich, in denen die Turbine sonst nur wenig Antriebsleistung für den Verdichter bereitstellen kann.
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 Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung,
3 ein Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung,
4 ein Schaubild eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regeneration eines Partikelfilters, und
5 ein weiteres Schaubild eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regeneration eines Partikelfilters.
1 zeigt einen aufladbaren, fremdgezündeten Verbrennungsmotor 10, vorzugsweise einen turbo-aufgeladenen Ottomotor, mit einem Frischluftkanal 12 und einem Abgaskanal 20. Im Abgaskanal 20 ist in Strömungsrichtung des Abgases des Verbrennungsmotors 10 eine Turbine 26 angeordnet, welche über eine Antriebswelle 36 mit einem Verdichter 14 im Frischluftkanal 12 verbunden ist. Die Turbine 26 und der Verdichter 14 sind Teil eines Turboladers 40. Stromab der Turbine 26 ist im Abgaskanal 20 ein vorzugsweise motornaher Drei-Wege-Katalysator 22 angeordnet. An der Turbine 26 ist ein Bypasskanal 38, insbesondere eine sogenanntes Waste-Gate, ausgebildet, mit der ein Teilstrom des Abgases an der Turbine 26 vorbeigeleitet werden kann. Dieser Bypasskanal 38 ist durch ein nicht dargestelltes Ventil oder eine Klappe verschließbar. Stromab des Drei-Wege-Katalysators 22 ist im Abgaskanal 20 ein Partikelfilter 24 angeordnet, welcher vorzugsweise in einer motorfernen Unterbodenlage, das heißt am Unterboden eines Kraftfahrzeuges, angeordnet ist. Der Partikelfilter 24 kann als unbeschichteter Partikelfilter 24 ausgeführt sein, bevorzugt ist der Partikelfilter 24 als beschichteter Wandstromfilter ausgeführt, der eine katalytische Drei-Wege-Beschichtung aufweist. Stromab des Drei-Wege-Katalysators 22, insbesondere zwischen Drei-Wege-Katalysator 22 und Partikelfilter 24 ist eine Lambda-Sonde 28 zur Lambdaregelung, insbesondere Luftmassensteuerung des Verbrennungsmotors 10 vorgesehen.
Am Eintritt des Frischluftkanals 12 ist ein Luftfilter 32 angeordnet. In Strömungsrichtung der Frischluft ist stromab des Verdichters 14 eine Drosselklappe 18 angeordnet, über welche die dem Verbrennungsmotor 10 zugeführte Luftmenge steuerbar ist. Stromab der Drosselklappe 18 ist ein Ladeluftkühler 30 angeordnet, mit welchem die verdichtete Luft vor Eintritt in die Brennräume des Verbrennungsmotors 10 abgekühlt werden kann. Zwischen dem Verdichter 14 und der Drosselklappe 18 zweigt aus dem Frischluftkanal 12 eine Sekundärluftleitung 16 ab, welche zwischen nicht dargestellten Auslassventilen des Verbrennungsmotors 10 und der Turbine 26 in den Abgaskanal 20 mündet, insbesondere in einen nicht dargestellten Abgaskrümmer. An einem dem Abgaskanal 20 zugewandten Ende der Sekundärluftleitung 16 ist ein Sekundärluftventil 34 vorgesehen, mit welchem die Menge der dem Abgaskanal 20 zugeführten Sekundärluft steuerbar ist.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung dargestellt. Bei weitestgehend gleichem Aufbau wie in 1 wird im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen. Die Sekundärluftleitung 16 zweigt stromab des Verdichters 14 und stromauf der Drosselklappe 18 aus der Frischluftleitung 12 ab und mündet in dieser Ausgestaltung zwischen der Turbine 26 des Turboladers 40 und dem drei Wege Katalysator 22 in den Abgaskanal 20. Der Turbolader 40 beziehungsweise die Turbine 26 des Turboladers 40 kann wie in 1 einen Bypasskanal 38 aufweisen, welcher aus Gründen der Übersichtlichkeit in diesem Ausführungsbeispiel jedoch nicht dargestellt wurde.
In Fahrzyklen mit geringer Last, umgangssprachlich auch als „Brötchenholzyklus“ bezeichnet, kann durch ein Schließen des Bypasskanals 38 die Abgasenthalpie genutzt werden, um mit dem Verdichter 14 einen zusätzlichen, für die motorische Verbrennung des Verbrennungsmotors 10 nicht benötigten Frischluftmassenstrom zu verdichten. Dieser zusätzliche Frischluftmassenstrom kann über die Sekundärluftleitung 16 in den Abgaskanal 20 eingeleitet werden.
Wird eine festgelegte Schwelle der Rußbeladung des Partikelfilters 24 detektiert, was beispielsweise durch eine Differenzdruckmessung im Abgaskanal 20 vor und nach dem Partikelfilter 24 oder durch eine Modellierung erfolgen kann, wird ein Regenerationsverfahren zur Regeneration des Partikelfilters 24 eingeleitet. Zur Regeneration des Partikelfilters sind eine Regenerationstemperatur von ca. 600°C und ein Sauerstoffüberschuss zur Oxidation des Rußes notwendig. Um die Regenerationstemperatur im Abgas zu erreichen, werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die in 3 dargestellten, folgenden Schritte durchgeführt.
In einem Ausgangszustand <100> wird der Verbrennungsmotor 10 mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ_E = 1 betrieben. In einem folgenden Verfahrensschritt <110> wird überprüft, ob eine Notwendigkeit zur Regeneration des Partikelfilters 24 vorliegt. Beispielsweise wird überprüft, ob eine durch eine Differenzdruckmessung über den Partikelfilter 24 ermittelte Druckdifferenz oder eine durch Modulierung bestimmte Beladung des Partikelfilters 24 eine vorbestimmte Schwelle überschreitet. Wird die Abfrage <110> bejaht, liegt ein Regenerationserfordernis vor und das Regenerationsverfahren wird eingeleitet.
Dazu wird in einem folgenden Schritt <120> zunächst eine Temperatur am Drei-Wege-Katalysator 22 ermittelt und abgefragt, ob diese Temperatur oberhalb einer Light-Off-Temperatur des Drei-Wege-Katalysators 22 von ca. 350 °C liegt, bei der eine Umsetzung von unverbrannten Bestandteilen des Verbrennungsgemischs des Verbrennungsmotors, insbesondere von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC), auf dem Drei-Wege-Katalysator 22 erfolgt. Wird die Abfrage <120> verneint, das heißt, die Light-off-Temperatur liegt nicht vor, wird in einem folgenden Verfahrensschritt <130> der Zündwinkel des Verbrennungsmotors 10 in Richtung spät verstellt, um die Verbrennungstemperatur und somit die Temperatur am Eintritt des Drei-Wege-Katalysators 22 zu erhöhen und somit eine exotherme Umsetzung der unverbrannten Bestandteile des Verbrennungsgemischs (HC, CO, H2) zu ermöglichen.
Ist die Light-Off-Temperatur erreicht, wird in einem weiteren Verfahrensschritt <140> überprüft, ob die Regenerationstemperatur des Partikelfilters 24 vorliegt. Dies wird üblicherweise zunächst nicht der Fall sein und die Abfrage <140> verneint werden. In diesem Fall schließt eine Heizphase an, um den Partikelfilter 24 auf seine Regenerationstemperatur aufzuheizen. Hierzu wird in einem weiteren Verfahrensschritt <150> das Verbrennungsluftverhältnis des Motors 10 von einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis mit λ_E = 1 auf ein unterstöchiometrisches, fettes Verbrennungsluftverhältnis λ_E < 1, vorzugsweise von λ_E = 0,9 verstellt. Dadurch werden unverbrannte Bestandteile (HC, CO, H₂) des Verbrennungsgemischs in den Abgaskanal 20 eingeleitet. Das Verbrennungsluftverhältnis λ_E des Verbrennungsmotors 10 kann über eine stromauf des Sekundärluftventils 34 angeordnete Lambda-Sonde (in den 1 und 2 nicht dargestellt) erfasst und geregelt werden. Gleichzeitig wird im Verfahrensschritt <150> die über den Verdichter 14 verdichtete Sekundärluft und über die Sekundärluftleitung 16 dem Abgaskanal 20 stromab eines Auslasses des Verbrennungsmotors 10 zugeführt. Diese Einleitung kann sowohl zwischen dem Auslass des Verbrennungsmotors 10 und der Turbine 26 des Turboladers 40 (1) oder stromab der Turbine 26 des Turboladers und stromauf des Drei-Wege-Katalysators 22 (2) erfolgen. Durch den über die Sekundärluftleitung 16 und das Sekundärluftventil 34 in den Abgaskanal 20 eingebrachten Sauerstoff können die unverbrannten Bestandteile des Verbrennungsgemischs exotherm auf dem stromab der Einmündung der Sekundärluftleitung 16 beziehungsweise des Sekundärluftventils 34 liegenden Drei-Wege-Katalysator 22 umgesetzt werden. Bei einer Einblasung der Sekundärluft zwischen dem Auslass des Verbrennungsmotors 10 und der Turbine 26 kann diese exotherme Reaktion bereits auf einem Abgaskrümmer des Verbrennungsmotors 10 stattfinden und die somit freigewordene Energie zum Antrieb der Turbine 26 genutzt werden. Das Mischungsluftverhältnis λ_M aus Verbrennungsluftverhältnis und in den Abgaskanal 20 eingeblasener Sekundärluft wird über die Lambda-Sonde 28 erfasst und auf Lambda = 1 geregelt, sodass sich die gewünschte Zieltemperatur zur Regeneration des Partikelfilters 24 einstellt.
Nach Erreichen der Regenerationstemperatur des Partikelfilters 24 schließt die Regenrationsphase an, und es wird in einem weiteren Verfahrensschritt <160> die Sekundärluftzufuhr erhöht, sodass sich ein überstöchiometrisches Mischungsluftverhältnis λ_M > 1 vor dem Partikelfilter 24 einstellt. Dadurch kann der Ruß auf dem Partikelfilter 24 oxidiert und der Partikelfilter 24 somit regeneriert werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt <170> wird nach Abschluss der Regeneration des Partikelfilters 24 die Zufuhr von Sekundärluft gestoppt und der Verbrennungsmotor 10 wieder mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ_E = 1 betrieben.
Die Verläufe der Partikelfiltertemperatur, des motorischen Verbrennungsluftverhältnisses λ_E des Verbrennungsmotors 10 sowie des Mischungsluftverhältnisses λ_M während des gemäß 3 ausgeführten Verfahrens zeigt 4. Wie in 4 dargestellt, wird während einer Heizphase des Partikelfilters 24 das Verbrennungsluftverhältnis λ_E des Verbrennungsmotors 10 auf λ_E < 1 vorgesteuert und das Mischungsverhältnis auf λ_M = 1 eingeregelt. Die Heizphase wird für ein Zeitintervall von 50 bis 300s, vorzugsweise von 100s, aufrechterhalten. Dadurch wird in der Heizphase die Drei-Wege-Funktion des Drei-Wege-Katalysators 22 gewährleistet und alle Schadstoffe können effektiv umgesetzt werden.
Ist die Regenerationstemperatur zur Regeneration des Partikelfilters 24 erreicht, wird über die Motorsteuerung auf die Regenerationsphase umgestellt. Dazu wird der Verbrennungsmotor 10 weiterhin mit einem unterstöchiometrischen, fetten Verbrennungsluftverhältnis λ_E < 1 betrieben. Um den Sauerstoff für die Regeneration des Partikelfilters 24 bereitzustellen, wird die Sekundärluftmenge, die über die Sekundärluftleitung 16 und das Sekundärluftventil 34 in den Abgaskanal 20 eingeblasen wird, jedoch derart erhöht, dass am Eingang des Partikelfilters 24 ein überstöchiometrisches Mischungsluftverhältnis λ_M > 1, vorzugsweiseweise λ_M zwischen 1,05 und 1,2, besonders bevorzugt λ_M = 1,1 einstellt. Dadurch wird gewährleistet, dass die Umsetzungsrate des Rußes nicht zu hoch werden kann und es nicht zu einer thermischen Zerstörung des Partikelfilters 24 kommt. Dieser Vorgang wird so lange aufrechterhalten, bis der Partikelfilter 24 als regeneriert betrachtet werden kann. Als typische Regenerationsdauer für den Partikelfilter 24 wird ein Zeitintervall von 200s–1000s, vorzugsweise zwischen 300s–800s, besonders bevorzugt zwischen 500–600 s gewählt.
Alternativ können auch wie in 5 dargestellt die Heizphase und die Regenerationsphase des Partikelfilters 24 parallel durchgeführt werden. Dabei wird der Verbrennungsmotor 10 mit einem unterstöchiometrischen, fetten Verbrennungsluftverhältnis λ_E < 1 betrieben und gleichzeitig Sekundärluft in den Abgaskanal 20 eingeblasen, sodass sich während der Heizphase und während der parallel verlaufenden Regenerationsphase ein überstöchiometrisches Mischungsluftverhältnis λ_M > 1 einstellt. Somit werden gleichzeitig die unverbrannten Bestandteile des Verbrennungsgemischs exotherm umgesetzt und es steht genügend Sauerstoff zur Verfügung, um den eingelagerten Ruß im Partikelfilter 24 umzusetzen.
Die beiden beschriebenen Verfahren können jeweils mit beiden vorgeschlagenen Vorrichtungen, also unabhängig davon, ob die Sekundärluftleitung zwischen Auslass des Verbrennungsmotors 10 und Turbine 26 des Turboladers 40 oder zwischen der Turbine 26 des Turboladers 40 und dem Drei-Wege-Katalysator 22 in den Abgaskanal 20 mündet, durchgeführt werden. Die beschriebenen Verfahren führen zu einem NOx-Schlupf während der Regenerationsphase. In dem in 4 dargestellten und bevorzugten Verfahren verkürzt sich jedoch diese Phase mit vorliegendem NOx-Schlupf, da die Heizphase des Partikelfilters 24 mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ_E = 1 und unter voller Wirksamkeit des Drei-Wege-Katalysators 22 durchgeführt wird.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Frischluftkanal
14: Verdichter
16: Sekundärluftleitung
18: Drosselklappe
20: Abgaskanal
22: Drei-Wege-Katalysator
24: Partikelfilter
26: Turbine
28: Lambda-Sonde
30: Ladeluftkühler
32: Luftfilter
34: Sekundärluftventil
36: Antriebswelle
38: Bypasskanal
40: Turbolader
λ_E: Verbrennungsluftverhältnis
λ_M: Mischungsluftverhältnis

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013220899 A1 [0003]
DE 102011118337 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines aufladbaren, fremdgezündeten Verbrennungsmotors (10), umfassend einen Frischluftkanal (12) und einen Abgaskanal (20), wobei im Frischluftkanal (12) ein Verdichter (14) zur Verdichtung der Frischluft und stromab des Verdichters (14) eine Sekundärluftleitung (16) vorgesehen ist, welche den Frischluftkanal (12) mit dem Abgaskanal (20) verbindet, wobei im Abgaskanal (20) ein Drei-Wege-Katalysator (22) und stromab des Drei-Wege-Katalysators (22) ein Partikelfilter (24) angeordnet ist, umfassend folgende Prozesse: – Ermittlung eines Beladungszustandes des Partikelfilters (24), – Wenn der Beladungszustand eine Regeneration des Partikelfilters (24) erfordert, Anhebung der Abgastemperatur auf eine Regenerationstemperatur des Partikelfilters (24) durch zumindest zeitweiliges Verstellen einer Gemischbildung für den Verbrennungsmotor (10) auf ein unterstöchiometrisches (fettes) Verbrennungsluftverhältnis (λ_E < 1) und zumindest zeitweise gleichzeitiges Einbringen von Sekundärluft in den Abgaskanal (20) stromauf des Drei-Wege-Katalysators (22), wobei – die unverbrannten Bestandteile eines Verbrennungsgemischs des Verbrennungsmotors (10) im Abgaskanal (20) durch die Sekundärluft exotherm umgesetzt werden, und – in einer Regenerationsphase des Partikelfilters (24) die Sekundärluftmenge derart erhöht wird, dass sich im Abgaskanal (20) vor Eintritt in den Partikelfilter (24) ein überstöchiometrisches Mischungsluftverhältnis (λ_M > 1) einstellt, sodass Ruß auf dem Partikelfilter (24) durch den Sauerstoffüberschuss oxidiert wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Heizphase des Partikelfilters (24) der Verbrennungsmotor (10) mit einem unterstöchiometrischen (fetten) Verbrennungsluftverhältnis (λ_E < 1) betrieben wird und die Sekundärluftmenge so eingestellt wird, dass sich bei Eintritt in den Drei-Wege-Katalysator (22) ein stöchiometrisches Mischungsluftverhältnis (λ_M = 1) einstellt.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) mit einem Verbrennungsluftverhältnis (λ_E) im Bereich von 0,85 bis 0,95 betrieben wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischungsluftverhältnis (λ_M) in der Regenerationsphase des Partikelfilters (24) im Bereich von 1,05 bis 1,2 eingestellt wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (14) von einer im Abgaskanal (10) angeordneten Turbine (26) angetrieben wird und die Sekundärluftleitung (16) stromauf der Turbine (26) in den Abgaskanal (20) mündet.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Turbine (26) ein die Turbine umgehender Bypass (38) ausgebildet ist, welcher zur Erhöhung der Antriebsleistung des Verdichters (14) verschlossen wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (38) in der Heizphase und/oder in der Regenerationsphase des Partikelfilters (24) verschlossen wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das überstöchiometrische Mischungsluftverhältnis λ_M zur Regenerationsphase des Partikelfilters (24) für ein Zeitintervall im Bereich von 200 bis 1000 s gewählt wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Regenerationsphase eine Heizphase vorgeschaltet wird und für ein Zeitintervall im Bereich von 50 bis 300s aufrechterhalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur des Abgases vor Eintritt in den Drei-Wege-Katalysator (22) ermittelt wird, diese Temperatur mit einer Light-Off-Temperatur des Drei-Wege-Katalysators (22) verglichen wird und bei einem Nichterreichen dieser Light-Off-Temperatur zunächst der Zündwinkel des Verbrennungsmotors (10) in Richtung spät verstellt wird, bevor das Verbrennungsluftverhältnis λ_E angepasst wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des Verdichters (14) für einen begrenzten Zeitabschnitt, insbesondere für die Heizphase und/oder die Regenerationsphase, angehoben wird.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines aufladbaren, fremdgezündeten Verbrennungsmotors (10), mit einem Frischluftkanal (12) und mit einem Abgaskanal (20), wobei im Frischluftkanal (12) ein Verdichter (14) zur Verdichtung der Frischluft und stromab des Verdichters (14) eine Sekundärluftleitung (16) vorgesehen ist, welche den Frischluftkanal (12) mit dem Abgaskanal (20) verbindet, wobei im Abgaskanal (20) ein Drei-Wege-Katalysator (22) und stromab des Drei-Wege-Katalysators (22) ein Partikelfilter (24) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluftleitung (16) stromauf des Drei-Wege-Katalysators (22) in den Abgaskanal (20) mündet.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Frischluftleitung stromab des Verdichters (14) eine Drosselklappe (18) angeordnet ist, wobei die Sekundärluftleitung (16) zwischen dem Verdichter (14) und der Drosselklappe (18) vom Frischluftkanal (12) abzweigt.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Drei-Wege-Katalysator (22) in einer motornahen Position und der Partikelfilter (24) in einer Unterbodenposition angeordnet ist.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluftleitung (16) stromauf einer in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Drei-Wege-Katalysator (22) angeordneten Turbine (26) in den Abgaskanal (20) mündet.