DE102015219114B4 - Process for exhaust aftertreatment of an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine (10) mit einem Abgaskanal (12), mit einem im Abgaskanal (12) angeordneten Drei-Wege-Katalysator (14), mit einem ersten NOx-Speicherkatalysator (16) sowie mit einem in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Abgaskanal (12) stromab des ersten NOx-Speicherkatalysators (16) und stromab des Drei-Wege-Katalysators (14) angeordneten zweiten NOx-Speicherkatalysator (18), wobei stromab des ersten NOx-Speicherkatalysators (16) und stromauf des zweiten NOx-Speicherkatalysators (18) ein Einspritzventil (20) zur Einbringung von Kohlenwasserstoffen in den Abgaskanal (12) angeordnet ist, umfassend folgende Schritte:- Betreiben der Brennkraftmaschine (10) mit einem überstöchiometrischen, mageren Verbrennungsluftverhältnis λE> 1, wobei der erste NOx-Speicherkatalysator (16) sowie der zweite NOx-Speicherkatalysator (18) mit Stickstoffoxiden beladen werden,- Umschalten der Brennkraftmaschine (10) auf ein unterstöchiometrisches, fettes Verbrennungsluftverhältnis λE< 1 zur Regeneration des ersten NOx-Speicherkatalysators (16) bei gleichzeitigem Eindosieren von Kraftstoff in den Abgaskanal (12) stromab des ersten NOx-Speicherkatalysators (16) und stromauf des zweiten NOx-Speicherkatalysators (18),- Betreiben der Brennkraftmaschine (10) mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λE= 1), wobei gleichzeitig Kraftstoff stromabwärts des ersten NOx-Speicherkatalysators (16) und stromaufwärts des zweiten NOx-Speicherkatalysators (18) eindosiert wird,- Regenerieren des zweiten NOx-Speicherkatalysators (18),- Umschalten der Brennkraftmaschine (10) auf ein überstöchiometrisches, mageres Verbrennungsluftverhältnis und erneutes Beladen des ersten NOx-Speicherkatalysators (16) sowie des zweiten NOx-Speicherkatalysators (18).Method for exhaust gas aftertreatment of an internal combustion engine (10) with an exhaust gas duct (12), with a three-way catalytic converter (14) arranged in the exhaust gas duct (12), with a first NOx storage catalytic converter (16) and with an exhaust gas through the Exhaust duct (12) downstream of the first NOx storage catalytic converter (16) and downstream of the three-way catalytic converter (14) arranged second NOx storage catalytic converter (18), downstream of the first NOx storage catalytic converter (16) and upstream of the second NOx storage catalytic converter (18) an injection valve (20) for introducing hydrocarbons into the exhaust gas duct (12) is arranged, comprising the following steps: - operating the internal combustion engine (10) with an over-stoichiometric, lean combustion air ratio λE> 1, the first NOx storage catalytic converter (16 ) and the second NOx storage catalytic converter (18) are loaded with nitrogen oxides, - switching the internal combustion engine (10) to a sub-stoichiometric, rich combustion air ratio λE<1 for regeneration of the first NOx storage catalytic converter (16) with simultaneous metering of fuel into the exhaust gas duct ( 12) downstream of the first NOx storage catalytic converter (16) and upstream of the second NOx storage catalytic converter (18), - operation of the internal combustion engine (10) with a stoichiometric combustion air ratio (λE= 1), with fuel being transported downstream of the first NOx storage catalytic converter (16 ) and upstream of the second NOx storage catalytic converter (18),- regenerating the second NOx storage catalytic converter (18),- switching the internal combustion engine (10) to an over-stoichiometric, lean combustion air ratio and reloading the first NOx storage catalytic converter (16) and of the second NOx storage catalytic converter (18).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine.The invention relates to a method for treating exhaust gas from an internal combustion engine.
Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellt hohe Anforderungen an motorische Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. So wird beispielsweise mit Einführung der EU6-Abgasgesetzgebung ein Partikelgrenzwert für Ottomotoren vorgeschrieben. Dies kann dazu führen, dass bei einigen Kraftfahrzeugmodellen der Einsatz eines Ottopartikelfilters (OPF) notwendig sein wird. 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 im überstöchiometrischen Betrieb die NOx-Emissionen nicht mehr hinreichend mit einem konventionellen Drei-Wege-Katalysator aus dem Abgas reduziert 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 mit Hilfe einer motorischen Fettphase regeneriert werden. Die Gestaltung dieser Fettphase beeinflusst maßgeblich die Endrohremissionen. Um die NOx-Emissionen gering zu halten wurden Abgasnachbehandlungssysteme mit in Strömungsrichtung eines Abgases der Brennkraftmaschine nacheinander angeordneten NOx-Speicherkatalysatoren entwickelt. Bei der Regeneration dieser Abgasnachbehandlungssysteme kann es zu einem Emissionsschlupf und zur Lachgasbildung (N2O-Bildung) kommen.The current exhaust gas legislation and one that will become increasingly strict in the future places high demands on engine raw emissions and the exhaust gas aftertreatment of combustion engines. For example, with the introduction of the EU6 emissions legislation, a particle limit value for gasoline engines will be prescribed. This can lead to the use of an Otto Particulate Filter (OPF) being necessary for some motor vehicle models. Vehicle and engine manufacturers are also required to reduce the consumption of combustion engines and the associated CO2 emissions. Among other things, this means that consumption-optimized combustion processes are being developed for internal combustion engines. One way of reducing the consumption of a gasoline engine is a lean burn process, i.e. a combustion process in which the internal combustion engine is operated with a super-stoichiometric combustion air ratio as far as possible. Since the NOx emissions can no longer be sufficiently reduced from the exhaust gas with a conventional three-way catalytic converter in a lean-burn process in over-stoichiometric operation, additional catalytic converters such as NOx storage catalytic converters are required. The NOx emissions are stored as nitrates in the NOx storage catalytic converter. These NOx storage catalytic converters must be periodically regenerated with the help of an engine rich phase. The design of this fat phase significantly influences the tailpipe emissions. In order to keep NOx emissions low, exhaust gas aftertreatment systems with NOx storage catalytic converters arranged one after the other in the flow direction of an exhaust gas of the internal combustion engine have been developed. The regeneration of these exhaust aftertreatment systems can lead to emission slippage and the formation of nitrous oxide (N 2 O formation).
Aus der
Aus der
Die
Die US 2013 / 0 202 507 A1 beschreibt ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors. Dabei sind in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors ein NOx-Speicherkatalysator und stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators ein SCR-Katalysator und stromabwärts des SCR-Katalysators ein weiterer Katalysator mit einer Sauerstoffspeicherfähigkeit angeordnet. Dabei wird das Abgasnachbehandlungssystem abwechselnd mit einem unterstöchiometrischen und einem überstöchiometrischen Abgas des Verbrennungsmotors beaufschlagt.US 2013/0 202 507 A1 describes a method for the aftertreatment of exhaust gases from an internal combustion engine. In the flow direction of an exhaust gas stream of the internal combustion engine, a NOx storage catalytic converter and downstream of the NOx storage catalytic converter an SCR catalytic converter and downstream of the SCR catalytic converter a further catalytic converter with an oxygen storage capacity are arranged. The exhaust aftertreatment system is alternately charged with a sub-stoichiometric and a super-stoichiometric exhaust gas from the internal combustion engine.
Aus der
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine einfache und kostengünstige Abgasnachbehandlungsvorrichtung vorzuschlagen, mit der ein Abgasnachbehandlungsverfahren durchgeführt werden kann, bei dem die NOx-Emissionen ohne erhöhten Schlupf bei der Regeneration der NOx-Speicherkatalysatoren aus dem Abgas in unschädliche Abgaskomponenten konvertiert werden können.The invention is now based on the object of proposing a simple and inexpensive exhaust gas aftertreatment device with which an exhaust gas aftertreatment method can be carried out in which the NOx emissions can be converted from the exhaust gas into harmless exhaust gas components without increased slip during the regeneration of the NOx storage catalytic converters.
Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine mit einem Abgaskanal, mit einem im Abgaskanal angeordneten Drei-Wege-Katalysator, mit einem ersten NOx-Speicherkatalysator sowie mit einem in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Abgaskanal stromab des ersten NOx-Speicherkatalysators und stromab des Drei-Wege-Katalysators angeordneten zweiten NOx-Speicherkatalysator gelöst, wobei stromab des ersten NOx-Speicherkatalysators und stromauf des zweiten NOx-Speicherkatalysators ein Einspritzventil zur Einbringung von Kohlenwasserstoffen in den Abgaskanal angeordnet ist, wobei das erfindungsgemäße Verfahren folgende Schritte umfasst:
- - Betreiben der Brennkraftmaschine mit einem überstöchiometrischen, mageren Verbrennungsluftverhältnis λE > 1, wobei der erste NOx-Speicherkatalysator sowie der zweite NOx-Speicherkatalysator mit Stickstoffoxiden beladen werden,
- - Umschalten der Brennkraftmaschine auf ein unterstöchiometrisches, fettes Verbrennungsluftverhältnis λE < 1 zur Regeneration des ersten NOx-Speicherkatalysators bei gleichzeitigem Eindosieren von Kraftstoff in den Abgaskanal stromab des ersten NOx-Speicherkatalysators und stromauf des zweiten NOx-Speicherkatalysators,
- - Regenerieren des zweiten NOx-Speicherkatalysators,
- - Umschalten der Brennkraftmaschine auf ein überstöchiometrisches, mageres Verbrennungsluftverhältnis und erneutes Beladen des ersten NOx-Speicherkatalysators sowie des zweiten NOx-Speicherkatalysators.
- - Operating the internal combustion engine with an over-stoichiometric, lean combustion air ratio λ E > 1, with the first NOx storage catalytic converter and the second NOx storage catalytic converter being loaded with nitrogen oxides,
- - Switching the internal combustion engine to a sub-stoichiometric, rich combustion air ratio λ E <1 to regenerate the first NOx storage catalytic converter while at the same time metering fuel into the exhaust gas duct downstream of the first NOx storage catalytic converter and upstream of the second NOx storage catalytic converter,
- - regeneration of the second NOx storage catalyst,
- - Switching of the internal combustion engine to an over-stoichiometric, lean combustion air ratio and reloading of the first NOx storage catalytic converter and the second NOx storage catalytic converter.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist eine gleichzeitige Regeneration des ersten NOx-Speicherkatalysators und des zweiten NOx-Speicherkatalysators ohne emissionserhöhende Sekundäreffekte wie in den aus dem Stand der Technik bekannten Regenerationsverfahren möglich. Dadurch wird verhindert, dass der zweite NOx-Speicherkatalysator während der Regeneration des ersten NOx-Speicherkatalysators mit einem stöchiometrischen Abgas angeströmt wird und es während der Regeneration des ersten NOx-Speicherkatalysators zu einer Desorption der Stickoxide auf dem zweiten NOx-Speicherkatalysator kommt. Somit kann eine höhere Gesamtkonvertierung schädlicher Abgasbestandteile erreicht werden. Durch die gleichzeitige Regeneration beider NOx-Speicherkatalysatoren kann der Emissionsschlupf verringert und die Regenerationszeit verkürzt werden.The method according to the invention enables simultaneous regeneration of the first NOx storage catalytic converter and the second NOx storage catalytic converter without emission-increasing secondary effects, as in the regeneration methods known from the prior art. This prevents a stoichiometric exhaust gas from flowing against the second NOx storage catalytic converter during regeneration of the first NOx storage catalytic converter and desorption of the nitrogen oxides on the second NOx storage catalytic converter during regeneration of the first NOx storage catalytic converter. A higher overall conversion of harmful exhaust gas components can thus be achieved. By regenerating both NOx storage catalytic converters at the same time, the emission slip can be reduced and the regeneration time can be shortened.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.Advantageous improvements of the method specified in the independent claim are possible as a result of the measures specified in the dependent claims.
Gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Variante des Verfahrens ist vorgesehen, dass nach vollständiger Regeneration des ersten NOx-Speicherkatalysators das Eindosieren von Kraftstoff in den Abgaskanal abgeschaltet wird. Zwar ist prinzipiell auch während der Regeneration des zweiten NOx-Speicherkatalysators ein zusätzliches Eindosieren von Kraftstoff in den Abgaskanal zwischen dem ersten NOx-Speicherkatalysator und dem zweiten NOx-Speicherkatalysator möglich, jedoch liegt nach einer vollständigen Regeneration des ersten NOx-Speicherkatalysators stromab des ersten NOx-Speicherkatalysators bereits ein unterstöchiometrisches, fettes Abgas vor, sodass bereits hinreichend Reduktionsmittel zur Regeneration des zweiten NOx-Speicherkatalysators vorhanden ist. Ein zusätzliches Eindosieren von Kraftstoff in den Abgaskanal ist daher nicht notwendig und reduziert die Konvertierung aufgrund einer ungünstigen Reduktionsmittelzusammensetzung.According to a variant of the method that is not according to the invention, it is provided that after the first NOx storage catalytic converter has been completely regenerated, the metering of fuel into the exhaust gas duct is switched off. Although in principle additional metering of fuel into the exhaust gas duct between the first NOx storage catalytic converter and the second NOx storage catalytic converter is also possible during the regeneration of the second NOx storage catalytic converter, after complete regeneration of the first NOx storage catalytic converter downstream of the first NOx Storage catalytic converter already has a sub-stoichiometric, rich exhaust gas, so that there is already sufficient reducing agent to regenerate the second NOx storage catalytic converter. An additional dosing of fuel into the exhaust duct is therefore not necessary and reduces the conversion due to an unfavorable composition of the reducing agent.
Erfindungsgemäß ist mit Vorteil vorgesehen, dass nach vollständiger Regeneration des ersten NOx-Speicherkatalysators die Brennkraftmaschine mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λE = 1 betrieben und gleichzeitig Kraftstoff in den Abgaskanal stromab des ersten NOx-Speicherkatalysators und stromauf des zweiten NOx-Speicherkatalysators eindosiert wird. Dadurch ist eine effiziente Abgasreinigung durch den Drei-Wege-Katalysator möglich, es muss jedoch über einen längeren Zeitraum Kraftstoff in den Abgaskanal eindosiert werden.According to the invention, it is advantageously provided that after complete regeneration of the first NOx storage catalytic converter, the internal combustion engine is operated with a stoichiometric combustion air ratio λ E =1 and at the same time fuel is metered into the exhaust gas duct downstream of the first NOx storage catalytic converter and upstream of the second NOx storage catalytic converter. This enables efficient exhaust gas cleaning by the three-way catalytic converter, but fuel has to be metered into the exhaust gas duct over a longer period of time.
Eine weitere Verbesserung des Verfahrens besteht darin, dass die Regeneration der NOx-Speicherkatalysatoren eingeleitet wird, wenn im Abgaskanal stromab des zweiten NOx-Speicherkatalysators ein Anstieg der NOx-Emissionen gemessen wird. Dies kann beispielsweise durch einen NOx-Sensor stromab des zweiten NOx-Speicherkatalysators erfolgen. Ist die Speicherkapazität der NOx-Speicherkatalysatoren erreicht, kommt es zu einem Anstieg der NOx-Konzentration stromab des zweiten NOx-Speicherkatalysators. Dabei können keine weiteren NOx-Emissionen mehr als Nitrate in den NOx-Speicherkatalysatoren eingelagert werden. Ein Anstieg der NOx-Konzentration signalisiert somit die Notwendigkeit einer Regeneration der Speicherkatalysatoren und kann als Signal leicht von einem Steuergerät der Brennkraftmaschine verarbeitet werden, um eine Umstellung auf ein unterstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis vorzunehmen und somit die Regeneration einzuleiten. Alternativ kann die Regeneration der NOx-Speicherkatalysatoren auch durch ein in einem Steuergerät der Brennkraftmaschine abgelegtes Berechnungsmodell eingeleitet werden.A further improvement of the method is that the regeneration of the NOx storage catalytic converters is initiated when an increase in NOx emissions is measured in the exhaust gas duct downstream of the second NOx storage catalytic converter. This can be done, for example, by an NOx sensor downstream of the second NOx storage catalytic converter gates take place. If the storage capacity of the NOx storage catalytic converters is reached, the NOx concentration increases downstream of the second NOx storage catalytic converter. No further NOx emissions can be stored as nitrates in the NOx storage catalytic converters. An increase in the NOx concentration thus signals the need for regeneration of the storage catalytic converters and can be easily processed as a signal by a control unit of the internal combustion engine in order to switch to a sub-stoichiometric combustion air ratio and thus initiate regeneration. Alternatively, the regeneration of the NOx storage catalytic converters can also be initiated by a calculation model stored in a control unit of the internal combustion engine.
Gemäß einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Regeneration der NOx-Speicherkatalysatoren abgeschlossen wird und die Brennkraftmaschine wieder mit einem überstöchiometrischen, mageren Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird, wenn stromab des zweiten NOx-Speicherkatalysators ein unterstöchiometrisches Abgas (ein Fettdurchbruch durch den zweiten NOx-Speicherkatalysator) gemessen wird. Ein unterstöchiometrisches Abgas stromab des zweiten NOx-Speicherkatalysators stellt sich ein, wenn die Nitrate in den NOx-Speicherkatalysatoren vollständig abgebaut sind und die NOx-Speicherkatalysatoren somit vollständig regeneriert sind. Somit kann ein Fettdurchbruch durch den zweiten NOx-Speicherkatalysator als Signal für den Abschluss der Regeneration leicht durch eine im Abgaskanal angeordnete Lambda-Sonde detektiert werden.According to a further improvement of the method, it is provided that the regeneration of the NOx storage catalytic converters is completed and the internal combustion engine is operated again with a lean combustion air ratio that is more than stoichiometric if downstream of the second NOx storage catalytic converter a substoichiometric exhaust gas (a rich breakthrough through the second NOx storage catalytic converter ) is measured. Sub-stoichiometric exhaust gas downstream of the second NOx storage catalytic converter occurs when the nitrates in the NOx storage catalytic converters have been completely broken down and the NOx storage catalytic converters are thus completely regenerated. A rich breakthrough through the second NOx storage catalytic converter can thus be easily detected by a lambda probe arranged in the exhaust gas duct as a signal for the completion of the regeneration.
Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Einspritzmenge des stromab des ersten NOx-Speicherkatalysators und stromauf des zweiten NOx-Speicherkatalysators eindosierten Kraftstoffs über im Abgaskanal stromauf und stromab des zweiten NOx-Speicherkatalysators angeordnete Lambda-Sonden geregelt wird. Dadurch kann die Einspritzmenge so gewählt werden, dass hinreichend Reduktionsmittel zum Abbau der Nitrate zur Verfügung steht, jedoch kein unverbrannter Kraftstoff durch den zweiten NOx-Speicherkatalysator strömt und somit die Endrohremissionen erhöht.According to a further advantageous improvement of the method, it is provided that the injection quantity of the fuel metered in downstream of the first NOx storage catalytic converter and upstream of the second NOx storage catalytic converter is regulated via lambda probes arranged in the exhaust gas duct upstream and downstream of the second NOx storage catalytic converter. As a result, the injection quantity can be selected in such a way that sufficient reducing agent is available to break down the nitrates, but no unburned fuel flows through the second NOx storage catalytic converter, thereby increasing tailpipe emissions.
Eine zur Ausführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine weist einen Abgaskanal, einen im Abgaskanal angeordneten Drei-Wege-Katalysator, einen ersten NOx-Speicherkatalysator sowie einen in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Abgaskanal stromab des ersten NOx-Speicherkatalysators und stromab des Drei-Wege-Katalysators angeordneten zweiten NOx-Speicherkatalysator auf, wobei stromab des ersten NOx-Speicherkatalysators und stromauf des zweiten NOx-Speicherkatalysators ein Einspritzventil zur Einbringung von Kohlenwasserstoffen in den Abgaskanal angeordnet ist. Dadurch ist die Vorrichtung geeignet, um auf einfache Weise ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Unter einem ersten NOx-Speicherkatalysator sind im Zusammenhang dieser Patentanmeldung sowohl ein NOx-Speicherkatalysator als auch ein Drei-Wege-Katalysator mit integriertem NOx-Speicherkatalysator zu verstehen.A device suitable for carrying out the method for exhaust gas aftertreatment of an internal combustion engine has an exhaust gas duct, a three-way catalytic converter arranged in the exhaust gas duct, a first NOx storage catalytic converter and, in the flow direction of an exhaust gas through the exhaust gas duct, downstream of the first NOx storage catalytic converter and downstream of the three-way Way catalyst arranged second NOx storage catalyst, wherein downstream of the first NOx storage catalyst and upstream of the second NOx storage catalyst, an injection valve for introducing hydrocarbons into the exhaust duct is arranged. As a result, the device is suitable for carrying out a method according to the invention in a simple manner. In the context of this patent application, a first NOx storage catalytic converter is to be understood as meaning both a NOx storage catalytic converter and a three-way catalytic converter with an integrated NOx storage catalytic converter.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Abgaskanal zumindest im Bereich zwischen dem Drei-Wege-Katalysator und dem zweiten NOx-Speicherkatalysator einflutig ausgebildet ist. Eine einflutige Ausbildung des Abgaskanals ist einfach und kostengünstig. Zudem gibt es keine Bypasskanäle, durch die ein Abgas an einem Abgasreinigungselement vorbeiströmen kann und somit bei einem fehlerhaften Stellelement zu einer erhöhten Endrohremission führen könnte. Zudem reduziert eine einflutige Ausführung des Abgaskanals die Kosten für sonst ggf. doppelt auszuführende Abgasreinigungselemente bei gleichzeitig geringerem Montageaufwand.According to a preferred embodiment of the device, it is provided that the exhaust gas duct has a single-flow design at least in the region between the three-way catalytic converter and the second NOx storage catalytic converter. A single-flow design of the exhaust gas duct is simple and inexpensive. In addition, there are no bypass ducts through which an exhaust gas can flow past an exhaust gas cleaning element and thus could lead to increased tailpipe emissions in the event of a faulty actuating element. In addition, a single-flow design of the exhaust gas duct reduces the costs for exhaust gas cleaning elements that would otherwise have to be implemented twice, while at the same time reducing the installation effort.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass das Einspritzventil und die Brennkraftmaschine über Kraftstoffleitungen mit einem gemeinsamen Kraftstofftank verbunden sind. Somit ist eine einfache Versorgung des Einspritzventils mit Kraftstoff möglich. Zudem kann auf einen zusätzlichen Vorratsbehälter, wie er beispielsweise für die Bevorratung einer Flüssigkeit zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden notwendig ist, verzichtet werden.According to an advantageous development of the device, it is provided that the injection valve and the internal combustion engine are connected to a common fuel tank via fuel lines. A simple supply of fuel to the injection valve is thus possible. In addition, there is no need for an additional reservoir, such as is necessary for storing a liquid for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides.
Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der erste NOx-Speicherkatalysator bzw. ein Drei-Wege-Katalysator mit integriertem NOx-Speicherkatalysator motornah, und der zweite NOx-Speicherkatalysator motorfern, insbesondere in einer Unterbodenposition eines Kraftfahrzeuges, angeordnet sind. Unter einer motornahen Position wird dabei ein mittlerer Abgaslaufweg von höchstens 50 cm, insbesondere von höchstens 30 cm, nach dem Auslass der Brennkraftmaschine verstanden. Unter einer motorfernen Position wird dabei ein mittlerer Abgaslaufweg von mindestens 100 cm, insbesondere von mindestens 120 cm, nach dem Auslass der Brennkraftmaschine verstanden. Durch eine motornahe Position des ersten NOx-Speicherkatalysators ist ein beschleunigtes Erreichen einer Betriebstemperatur des NOx-Speicherkatalysators möglich, so dass der erste NOx-Speicherkatalysator schneller nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine das Temperaturfenster erreicht, in dem eine effiziente Einlagerung von NOx-Emissionen möglich ist. Dadurch kann der Betriebsbereich der NOx-Speicherkatalysatoren erweitert werden, da das Abgas beim Durchströmen des ersten NOx-Speicherkatalysators eine höhere Temperatur als beim Durchströmen des zweiten NOx-Speicherkatalysators aufweist und somit jeweils zumindest einer der NOx-Speicherkatalysatoren in dem Temperaturfenster arbeitet, in dem eine effiziente Einlagerung von NOx-Emissionen in den Speicherkatalysator möglich ist. Durch die motorferne Position des zweiten NOx-Speicherkatalysators ist zusätzlich eine einfachere Montage des zweiten NOx-Speicherkatalysators möglich, zudem ist an dieser Position in der Regel mehr Bauraum vorhanden, so dass der zweite NOx-Speicherkatalysator größer ausgeführt werden kann. Dies verlängert den Zeitraum, bis der zweite NOx-Speicherkatalysator vollständig beladen ist und verlängert somit den Zeitraum zwischen zwei notwendigen Regenerationszyklen.According to a further advantageous development, the first NOx storage catalytic converter or a three-way catalytic converter with integrated NOx storage catalytic converter is arranged close to the engine and the second NOx storage catalytic converter is arranged remote from the engine, in particular in an underbody position of a motor vehicle. A position close to the engine is understood to mean a mean exhaust gas path of at most 50 cm, in particular at most 30 cm, after the outlet of the internal combustion engine. A position remote from the engine is understood to mean a mean exhaust gas path of at least 100 cm, in particular at least 120 cm, after the outlet of the internal combustion engine. By positioning the first NOx storage catalytic converter close to the engine, it is possible to reach an operating temperature of the NOx storage catalytic converter more quickly, so that the first NOx storage catalytic converter reaches the temperature window more quickly after a cold start of the internal combustion engine, in which efficient storage of NOx emissions is possible. This allows the operating range of the NOx storage catalytic converters are expanded, since the exhaust gas has a higher temperature when flowing through the first NOx storage catalytic converter than when flowing through the second NOx storage catalytic converter and thus at least one of the NOx storage catalytic converters works in the temperature window in which efficient storage of NOx -Emissions in the storage catalyst is possible. The position of the second NOx storage catalytic converter remote from the engine also makes it easier to install the second NOx storage catalytic converter. In addition, there is usually more installation space at this position, so that the second NOx storage catalytic converter can be made larger. This lengthens the period of time until the second NOx storage catalytic converter is fully loaded and thus lengthens the period of time between two necessary regeneration cycles.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Kraftstoff-Eindosierung in den Abgaskanal spätestens dann gestoppt wird, wenn der zweite NOx-Speicherkatalysator vollständig regeneriert ist. Dadurch wird vermieden, dass es zu einem unterstöchiometrischen Abgas stromab des zweiten NOx-Speicherkatalysators und damit verbunden zu erhöhten HC-Emissionen kommt.According to an advantageous embodiment, it is provided that the metering of fuel into the exhaust gas duct is stopped at the latest when the second NOx storage catalytic converter has been completely regenerated. This avoids a sub-stoichiometric exhaust gas downstream of the second NOx storage catalytic converter and associated increased HC emissions.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.Unless stated otherwise in the individual case, the various embodiments of the invention mentioned in this application can advantageously be combined with one another.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung einer Brennkraftmaschine, -
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung, -
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung, -
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung mit einem zusätzlichen Partikelfilter, -
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung mit einem zusätzlichen Partikelfilter, -
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung mit einem zusätzlichen Partikelfilter, -
7 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regeneration der beiden NOx-Speicherkatalysatoren sowie die dabei auftretenden Verbrennungsluftverhältnisse bzw. Abgasluftverhältnisse, -
8 ein Diagramm zur NOx-Konzentration im Abgas, wenn entgegen der Erfindung der zweite NOx-Speicherkatalysator während der Regeneration des ersten NOx-Speicherkatalysators mit einem stöchiometrischen Abgas durchströmt wird.
-
1 a first embodiment of a device for exhaust gas aftertreatment of an internal combustion engine, -
2 a second embodiment of a device for exhaust gas aftertreatment, -
3 a further exemplary embodiment of a device for exhaust gas aftertreatment, -
4 a further exemplary embodiment of a device for exhaust gas aftertreatment with an additional particle filter, -
5 a further exemplary embodiment of a device for exhaust gas aftertreatment with an additional particle filter, -
6 a further exemplary embodiment of a device for exhaust gas aftertreatment with an additional particle filter, -
7 a flowchart of a method according to the invention for regenerating the two NOx storage catalytic converters and the combustion air ratios or exhaust gas air ratios that occur, -
8th a diagram of the NOx concentration in the exhaust gas when, contrary to the invention, a stoichiometric exhaust gas flows through the second NOx storage catalytic converter during the regeneration of the first NOx storage catalytic converter.
In
In
In den
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Abgasnachbehandlung der Brennkraftmaschine 10 ist in dem Ablaufdiagramm in
Ist die Beladungskapazität des zweiten NOx-Speicherkatalysators 18 in Unterbodenlage des Kraftfahrzeuges erreicht, was beispielsweise durch einen Anstieg der NOx-Konzentration an dem NOx-Sensor 34 stromab des zweiten NOx-Speicherkatalysators 18 detektiert werden kann, wird die Regeneration der NOx-Speicherkatalysatoren 16, 18 bzw. des Drei-Wege-Katalysators mit integriertem NOx-Speicherkatalysator 22 eingeleitet. Alternativ kann die Regeneration auch durch ein in einem Steuergerät der Brennkraftmaschine 10 abgelegtes Berechnungsmodell eingeleitet werden. Dazu wird die Brennkraftmaschine 10 in einer zweiten Phase mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λE < 1, vorzugsweise 0,9 < λE < 0,98, beispielsweise λE = 0,92 betrieben. Durch einen Einleitung eines unterstöchiometrischen Abgases in einen NOx-Speicherkatalysator 16, 18 bzw. einen Drei-Wege-Katalysator mit integriertem NOx-Speicherkatalysator 22 werden die dort eingespeicherten Nitrate zersetzt und das NOx wieder frei, wobei es mit einem in dem unterstöchiometrischen Abgas vorliegenden Reduktionsmittel, insbesondere Kohlenmonoxid (CO) oder Wasserstoff (H2) zu Stickstoff (N2) reduziert werden kann.If the loading capacity of the second NOx storage
Während der Regeneration des Drei-Wege-Katalysators mit integriertem NOx-Speicherkatalysator 22 bzw. des ersten NOx-Speicherkatalysators 16 ergibt sich ohne zusätzliche Maßnahmen ein stöchiometrisches Abgas stromab des Drei-Wege-Katalysators mit integriertem NOx-Speicherkatalysator 22 bzw. des ersten NOx-Speicherkatalysators 16. Daher würde der beladene zweite NOx-Speicherkatalysator 18 ohne zusätzliche Maßnahmen mit einem stöchiometrischen Abgas angeströmt. Dies würde bereits zu einer erhöhten Desorption der im zweiten NOx-Speicherkatalysator 18 gespeicherten NOx-Emissionen und einer erhöhten Endrohr-Emission führen, da bei einem stöchiometrischen Abgas kein Reduktionsmittel für die freigesetzten NOx-Emissionen bereitsteht. Ein solcher Anstieg der NOx-Emissionen, der durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden wird, ist in
Um die NOx-Desorption am zweiten NOx-Speicherkatalysator 18 während der Regeneration des ersten NOx-Speicherkatalysators 16 bzw. der Regeneration des Drei-Wege-Katalysators mit integriertem NOx-Speicherkatalysator 22 zu verhindern, wird während der Regeneration des ersten NOx-Speicherkatalysators 16 bzw. des Drei-Wege-Katalysators mit integriertem NOx-Speicherkatalysator 22 Kraftstoff stromab des ersten NOx-Speicherkatalysators 16 bzw. des Drei-Wege-Katalysators mit integriertem NOx-Speicherkatalysator 22 und stromauf des zweiten NOx-Speicherkatalysators 18 in den Abgaskanal 12 eindosiert. Somit liegt an dem ersten NOx-Speicherkatalysator 16 bzw. am Drei-Wege-Katalysator mit integriertem NOx-Speicherkatalysator 22 sowie am zweiten NOx-Speicherkatalysator 18 gleichzeitig ein unterstöchiometrisches Abgas vor, so dass bei NOx-Speicherkatalysatoren 16, 18 bzw. der Drei-Wege-Katalysator mit integriertem NOx-Speicherkatalysator 22 und der zweite NOx-Speicherkatalysator 18 zeitgleich regeneriert werden.In order to prevent NOx desorption at the second NOx storage
Ist die Regeneration des ersten NOx-Speicherkatalysators 16 bzw. des Drei-Wege-Katalysators mit integriertem NOx-Speicherkatalysator 22 vollständig abgeschlossen, wird in einer dritten Phase die Brennkraftmaschine 10 weiterhin mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben, wobei das Eindosieren des Kraftstoffs stromauf des zweiten NOx-Speicherkatalysator 18 abgestellt werden kann. Zu diesem Zeitpunkt erreicht das unterstöchiometrische Abgas der Brennkraftmaschine 10 den zweiten NOx-Speicherkatalysator 18 und die Regeneration des zweiten NOx-Speicherkatalysators 18 wird fortgesetzt. Dazu ist es sinnvoll, dass die Speicherkapazität für NOx-Emissionen auf dem zweiten NOx-Speicherkatalysator 18 größer als auf dem ersten NOx-Speicherkatalysator 16 bzw. dem Drei-Wege-Katalysator mit integriertem NOx-Speicherkatalysator 22 ist, so dass die Regeneration des zweiten NOx-Speicherkatalysator länger dauert als die Regeneration des ersten NOx-Speicherkatalysators 16 bzw. des Drei-Wege-Katalysators mit integriertem NOx-Speicherkatalysator 22. Alternativ wird die Kraftstoff-Eindosierung über das Einspritzventil 20 spätestens dann gestoppt, wenn der zweite NOx-Speicherkatalysator 18 vollständig regeneriert ist, um HC-Emissionen stromab des zweiten NOx-Speicherkatalysators 18 zu vermeiden, welche nicht mehr im Abgaskanal 12 oxidiert werden können.If the regeneration of the first NOx storage
Alternativ kann in dieser dritten Phase auch das Eindosieren von Kraftstoff durch das Einspritzventil 20 stromauf des zweiten NOx-Speicherkatalysators 18 fortgesetzt werden und die Brennkraftmaschine 10 mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben werden. Als weitere Alternative kann in dieser dritten Phase die Brennkraftmaschine 10 auch weiterhin mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben werden und zusätzlich Kraftstoff in den Abgaskanal 12 stromauf des zweiten NOx-Speicherkatalysators 18 eindosiert werden.Alternatively, in this third phase, the metering of fuel through the
Die Dauer der Regeneration der NOx-Speicherkatalysatoren 16, 18 bzw. des Drei-Wege-Katalysators mit integriertem NOx-Speicherkatalysator 22 und des zweiten NOx-Speicherkatalysators wird so lange gewählt, dass die Nitrate im Drei-Wege-Katalysator mit integriertem NOx-Speicherkatalysator 22 bzw. im ersten NOx-Speicherkatalysator 16 und im zweiten NOx-Speicherkatalysator 18 vollständig abgebaut werden und die NOx-Speicherkatalysatoren 16, 18 bzw. der Drei-Wege-Katalysator mit integriertem NOx-Speicherkatalysator 22 als vollständig regeneriert angesehen werden können. Dieser Zustand kann beispielsweise mittels der Lambda-Sonde 32 stromab des zweiten NOx-Speicherkatalysators 18 ermittelt werden, wenn es zu einem Absinken der Sauerstoffkonzentration im Abgas (Fettdurchbruch durch den zweiten NOx-Speicherkatalysator 18) kommt. Sobald keine zu reduzierenden Nitrate mehr vorhanden sind, zeigt diese Lambda-Sonde 32 ein unterstöchiometrisches Abgas an, so dass die Brennkraftmaschine 10 wieder mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben werden kann und die NOx-Speicherkatalysatoren 16, 18 bzw. der Drei-Wege-Katalysator mit integriertem NOx-Speicherkatalysator 22 erneut mit NOx-Emissionen beladen werden können. Alternativ kann das Ende der Regeneration auch durch das im Steuergerät der Brennkraftmaschine 10 hinterlegte Bilanzierungsmodell beendet werden.The duration of the regeneration of the
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Brennkraftmaschineinternal combustion engine
- 1212
- Abgaskanalexhaust duct
- 1414
- Drei-Wege-KatalysatorThree-way catalytic converter
- 1616
- erster NOx-Speicherkatalysatorfirst NOx storage catalyst
- 1818
- zweiter NOx-Speicherkatalysatorsecond NOx storage catalyst
- 2020
- Einspritzventilinjector
- 2222
- Drei-Wege-Katalysator mit integriertem NOx-SpeicherkatalysatorThree-way catalytic converter with integrated NOx storage catalytic converter
- 2424
- Drei-Wege-KatalysatorThree-way catalytic converter
- 2626
- Partikelfilterparticle filter
- 2828
- Lambda-SondeLambda probe
- 3030
- Lambda-SondeLambda probe
- 3232
- Lambda-SondeLambda probe
- 3434
- NOx-SensorNOx sensor
- λEλE
- Verbrennungsluftverhältniscombustion air ratio
- λnachTWNSCλafterTWNSC
- Abgasluftverhältnis stromab des Drei-Wege-Katalysators mit integriertem NOx-Speicherkatalysator oder stromab des ersten NOx-SpeicherkatalysatorsExhaust air ratio downstream of the three-way catalytic converter with integrated NOx storage catalytic converter or downstream of the first NOx storage catalytic converter
- λvorNSCλbefore NPC
- Abgasluftverhältnis stromauf des zweiten NOx-SpeicherkatalysatorsExhaust air ratio upstream of the second NOx storage catalyst
- λnachNSCλafterNSC
- Abgasluftverhältnis stromab des zweiten NOx-SpeicherkatalysatorsExhaust air ratio downstream of the second NOx storage catalyst
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- 2015-10-02 DE DE102015219114.1A patent/DE102015219114B4/en active Active
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