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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung zum Reinigen eines Abgasstromes eines Kraftfahrzeugs mit einer im Normalbetrieb mit Sauerstoffüberschuss betriebenen Brennkraftmaschine. Ferner betrifft die Erfindung eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Abgasnachbehandlungsvorrichtung.
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Mit Abgasnachbehandlungsvorrichtungen werden Verbrennungsgase, nachdem sie den Brennraum oder die Brennkammer einer das Kraftfahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine verlassen haben, auf mechanischem, katalytischem oder chemischem Wege gereinigt, um so gesetzliche Schadstofflimits einhalten zu können.
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Dieselmotoren und moderne Magermix-Ottomotoren arbeiten in einem Magerbetrieb, d. h. mit einem Sauerstoffüberschuss (λ > 1). Herkömmliche Dreiwegekatalysatoren können daher nicht eingesetzt werden. Zwar ist die Oxidation von CO (Kohlenmonoxid) und CmHn (unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe) bei Sauerstoffüberschuss analog zum herkömmlichen Dreiwegekatalysator weiterhin möglich, jedoch muss NOx (Stickoxide) zwischengespeichert werden. Deren katalytische Reduktion erfolgt zyklisch mit einem stöchiometrischen bis fetten Abgasgemisch. Daher sind Katalysatoren mit zusätzlichen chemischen Elementen erforderlich, die eine Speicherung von NOx ermöglichen, sogenannte NOx-Speicherkatalysatoren.
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Um diese Zwischenspeicherung der Stickoxide im NOx-Speicherkatalysator zu erreichen, werden auf geeigneten Trägern ein Edelmetallkatalysator wie Platin und eine NOx-Speicherkomponente, die meistens ein Erdalkalimetall wie Barium ist, aufgebracht. In der mageren, das heißt sauerstoffreichen, Atmosphäre werden die Stickstoffoxide unter der Wirkung des Edelmetallkatalysators aufoxidiert, unter Ausbildung von Nitraten wie beispielsweise Bariumnitrat im Katalysator absorbiert und somit aus dem Abgasstrom entfernt. Durch regelmäßiges, kurzzeitiges „Anfetten“ des Abgases laufen diese Reaktionen in der entgegengesetzten Richtung ab, wodurch die NOx-Moleküle wieder in den Abgasstrom abgegeben und durch die in der fetten Atmosphäre vorhandenen reduzierenden Komponenten wie CmHn und/oder CO weiter reduziert werden.
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Ist die Aufnahmekapazität des NOx-Speicherkatalysators erschöpft, wird seitens der Motorelektronik für einige Sekunden ein fettes unterstöchiometrisches, reduzierendes Abgasgemisch eingestellt. In diesem kurzen Regenerationsschritt wird das im Katalysator zwischengespeicherte NOx zu Stickstoff reduziert und damit der NOx-Speicherkatalysator für den nächsten Speicherzyklus vorbereitet. Durch dieses Vorgehen ist es möglich, die Schadstoffemissionen mit Luftüberschuss betriebener Motoren zu minimieren und Schadstoffgrenzwerte einzuhalten.
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Die Absorptionsrate und Speicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators hängt u.a. von der Abgastemperatur, dem Abgasmassenstrom, der NOx-Konzentration und von weiteren Parametern ab. Um den Temperaturbereich, in dem NOx-Speicherkatalysatoren Stickoxide speichern und umwandeln können, zu vergrößern, ist es bekannt, zwei NOx-Speicherkatalysatoren in Abgasströmungsrichtung in Reihe hintereinander anzuordnen. Somit kann der erste der beiden NOx-Speicherkatalysatoren bei niedrigen Abgastemperaturen, wie z. B. bei Niedriglastzuständen der Brennkraftmaschine oder nach einem Kaltstart Stickoxid speichern, während der zweite NOx-Speicherkatalysator bei höheren Abgastemperaturen Stickoxid speichert, da hier die Abgastemperatur niedriger als bei dem näher an der Brennkraftmaschine angeordneten ersten NOx-Speicherkatalysator ist.
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Ein Anfetten zum Durchführen eines derartigen Regenerationsschritts der NOx-Speicherkatalysatoren kann durch eine späte Kraftstoffeinspritzung, durch Verändern des Verhältnisses der Kraftstoffmenge bei der Haupteinspritzung (main injection) zur Kraftstoffmenge bei der Nacheinspritzung (post injection), mittels Ansaugluftdrosselung (air throttling), durch erhöhte Abgas-rückführraten oder andere Maßnahmen erreicht werden. Jedoch führen diese Maßnahmen zur Reduzierung des Lambda-Wertes zu einem deutlichen Kraftstoffverbrauchsanstieg im Vergleich zum Betrieb mit Sauerstoffüberschuss.
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Die Dauer und Frequenz der Regenerationsschritte werden von der Motorsteuerung in Abhängigkeit von der gespeicherten Stickoxidmenge, Abgastemperatur, Abgasmassenstrom und anderen Parametern bestimmt.
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Während des Regenerationsschritts weist der Lambda-Wert stromabwärts eines NOx-Speicherkatalysators für eine gewisse Zeitdauer einen Wert von Eins auf. Ein Kennzeichen einer kompletten Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators ist es, wenn der Lambda-Wert stromabwärts fett wird (Lambda-Wert < 1) und bis auf den Lambda-Wert stromaufwärts absinkt (Lambda-Durchbruch). Mit anderen Worten, die jeweiligen Lambda-Werte stromaufwärts und stromabwärts sind zu diesem Zeitpunkt gleich bzw. nahezu gleich.
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Bei einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit zwei in Reihe angeordneten NOx-Speicherkatalysatoren verzögert der Lambda-Durchbruch die Regenerationsmöglichkeit des nachgeschalteten zweiten NOx-Speicherkatalysators, da ein Regenerationsschritt des zweiten NOx-Speicherkatalysators erst beginnen kann, wenn der Regenerationsvorgang des ersten NOx-Speicherkatalysators abgeschlossen wurde. Daher müssen die beiden NOx-Speicherkatalysatoren nacheinander regeneriert werden.
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Dies erhöht jedoch die Gesamtdauer zum Regenerieren einer derartigen Abgasnachbehandlungsvorrichtung und steigert den Kraftstoffverbrauch während des Regenerierens der beiden NOx-Speicherkatalysatoren.
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Es besteht daher Bedarf daran, einen vorteilhaften Weg zum Regenerieren einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit zwei in Reihe angeordneten NOx-Speicherkatalysatoren aufzuzeigen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung zum Reinigen eines Abgasstromes eines eine Brennkraftmaschine umfassenden Kraftfahrzeugs, wobei die Abgasnachbehandlungsvorrichtung einen ersten NOx-Speicherkatalysator und einen in Abgasströmungsrichtung hinter dem ersten NOx-Speicherkatalysator angeordneten zweiten NOx-Speicherkatalysator aufweist. Im erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt ein Regenerieren des zweiten NOx-Speicherkatalysators durch Zuführen eines einen Lambdawert des Abgasstromes reduzierenden Reagenzes zu dem zweiten NOx-Speicherkatalysator. Dadurch kann der zweite NOx-Speicherkatalysator auch dann regeneriert werden, wenn der erste, stromauf des zweiten NOx-Speicherkatalysators gelegene erste NOx-Speicherkatalysator nicht regeneriert wird. Dem zweiten NOx-Speicherkatalysator kann das den Lambdawert des Abgasstromes reduzierende Reagenz insbesondere aber auch zugeführt werden, während der erste NOx-Speicherkatalysators durch Einstellen eines unterstöchiometrischen Betriebs der Brennkraftmaschine regeneriert wird. Mit dem Zuführen des Reagenzes kann der Lambda-Wert des Abgases verändert werden, das den ersten NOx-Speicherkatalysator verlässt, so dass dem zweiten NOx-Speicherkatalysator ebenfalls während der Regeneration des ersten NOx-Speicherkatalysators ein fettes Gemisch zu dessen Regeneration zugeführt werden kann. Somit wird eine zeitgleiche bzw. simultane Regeneration der beiden NOx-Speicherkatalysatoren möglich, was den Gesamtzeitbedarf zur Regeneration der Abgasnachbehandlungsvorrichtung verringert. Dies reduziert wiederum den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine, da die Betriebsdauer mit einem den Verbrauch erhöhenden fetten Gemisch verkürzt werden kann. Darüber hinaus wird es möglich, die beiden NOx-Speicherkatalysatoren zeitlich unabhängig voneinander zu regenerieren, da die Regeneration des zweiten NOx-Speicherkatalysators mittels der Zufuhr des Reagenzes auch dann erfolgen kann, wenn der erste NOx-Speicherkatalysator nicht regeneriert wird.
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Gemäß einer Ausführungsform wird das Reagenz an einer Einspeisestelle zwischen dem ersten NOx-Speicherkatalysator und dem zweiten NOx-Speicherkatalysator in den den ersten NOx-Speicherkatalysator verlassenden Abgasstrom eingespeist. So wird auf einfache Weise dem zweiten NOx-Speicherkatalysator das Reagenz zugeführt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird als Reagenz ein Kraftstoff einer Brennkraftmaschine verwendet, deren Abgase mit der Abgasnachbehandlungsvorrichtung behandelt werden. Somit kann der als Betriebsmittel für die Brennkraftmaschine verwendete Kraftstoff verwendet werden. Es muss also kein Zusatztank vorgesehen und periodisch nachgefüllt werden, was den Aufbau und die Bedienung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung vereinfacht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein vernebelter Kraftstoff eingespritzt. Durch das Einspritzen von vernebeltem Kraftstoff kann der Kraftstoff ein effektives Anfetten des Gemisches bewirken. So wird der Kraftstoffbedarf für das Regenerieren minimiert.
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Ferner gehören zur Erfindung eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Abgasnachbehandlungsvorrichtung.
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Es wird nun die Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1 eine Brennkraftmaschine und eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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2 verschiedene Signalverläufe von eingangsseitigen und ausgangsseitigen Lambdawerten von NOx-Speicherkatalysatoren der Abgasnachbehandlungsvorrichtung.
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Es wird zunächst auf die 1 Bezug genommen.
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Die 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 2 und eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 4.
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Die Brennkraftmaschine 2 ist als Antrieb eines Kraftfahrzeugs, wie z. B. eines PKWs, ausgebildet. Die Brennkraftmaschine 2 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Dieselmotor, d. h. der Dieselmotor wird im Normalbetrieb mit einem Sauerstoffüberschuss (λ > 1) betrieben. Abweichend hiervon kann die Brennkraftmaschine 2 auch als Ottomotor im Magerbetrieb zur Erhöhung des Motorwirkungsgrades ausgebildet sein.
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Die in Abgasströmungsrichtung R der Brennkraftmaschine 2 nachgeschaltete Abgasnachbehandlungsvorrichtung 4 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen ersten NOx-Speicherkatalysator 6 und einen zweiten NOx-Speicherkatalysator 8 auf. Abweichend vom in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 4 weitere, nicht dargestellte Komponenten zur Abgasnachbehandlung aufweisen, wie z. B. einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) zum Entfernen von Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffen (CmHn) aus dem Abgasstrom, einen SCR- oder SCRF-Katalysator zur selektive katalytischen Reduktion von Stickoxiden, einen Sperrkat zum Zurückhalten von Ammoniak (NH3) und/oder einen Dieselpartikelfilter.
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Der erste NOx-Speicherkatalysator 6 und der zweite NOx-Speicherkatalysator 8 sind zur Speicherung von NOx (Stickoxiden) ausgebildet. Sie weisen jeweils einen Aufbau mit einem geeigneten Träger mit einem Edelmetallkatalysator wie Platin und einer NOx-Speicherkomponente, wie z. B. ein Erdalkalimetall wie Barium, auf. Dabei ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel der erste NOx-Speicherkatalysator 6 nahe der Brennkraftmaschine 2 angeordnet, während der zweite NOx-Speicherkatalysator 8 weiter beabstandet von der Brennkraftmaschine 2 angeordnet ist, z. B. an einer Position im Unterflurbereich.
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Durch diese Anordnung des ersten NOx-Speicherkatalysators 6 und des zweiten NOx-Speicherkatalysators 8 kann der erste NOx-Speicherkatalysator 6 bei niedrigen Abgastemperaturen, wie z. B. bei Niedriglastzuständen der Brennkraftmaschine 2 oder nach einem Kaltstart Stickoxid speichern, während der zweite NOx-Speicherkatalysator 8 bei höheren Abgastemperaturen Stickoxid speichert, da hier die Abgastemperaturen niedriger sind als bei dem näher an der Brennkraftmaschine 2 angeordneten ersten NOx-Speicherkatalysator 6. Zwischen dem ersten NOx-Speicherkatalysator 6 und dem zweiten NOx-Speicherkatalysator 8 ist eine Einspeisestelle 10 zum Einspritzen eines Reagenzes in den Abgasstrom vorgesehen, mit der der Lambdawert verändert werden kann, wie dies später detailliert erläutert wird.
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Der Brennkraftmaschine 2 ist ein Steuergerät (nicht dargestellt) zugeordnet, das einen Wechsel von einem Betrieb mit Sauerstoffüberschuss zu einem unterstöchiometrischen Betrieb und umgekehrt bewirkt, wie dies ebenfalls später detailliert erläutert wird. Hierzu weist das Steuergerät Hard- und/oder Softwarekomponenten auf.
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Es wird nun unter zusätzlicher Bezugnahme auf die 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb einer derartigen Abgasnachbehandlungsvorrichtung 4 beschrieben.
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Im Normalbetrieb wird die Brennkraftmaschine 4 während der Zeitdauer t0 im Teillastbereich mit einem Lambdawert I des zugeführten Gemisches größer Eins, also mit Sauerstoffüberschuss betrieben. Um eine Regeneration des ersten NOx-Speicherkatalysators 6 und des zweiten NOx-Speicherkatalysators 8 zu bewirken, wird während der Zeitdauer t1 ein Regenerationsschritt durchgeführt. Die Dauer und Frequenz des Regenerationsschritts wird von dem Steuergerät z. B. in Abhängigkeit von der gespeicherten Stickoxidmenge, der Abgastemperatur, dem Abgasmassenstrom und anderen Parametern bestimmt und dann eingeleitet.
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Hierzu steuert das Steuergerät die Brennkraftmaschine 2 derart an, dass das Abgas einen Lambdawert kleiner Eins aufweist, um den ersten NOx-Speicherkatalysator 6 zu regenerieren. Dazu verändert das Steuergerät z. B. den Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung, um eine späte Kraftstoffeinspritzung zu erreichen, verändert das Verhältnis der Kraftstoffmenge bei der Haupteinspritzung (main injection) zur Kraftstoffmenge bei der Nacheinspritzung (post injection), verändert die Stellung der Drosselklappe (air throttling), oder erhöht die Abgasrückführrate.
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Ausgangsseitig des ersten NOx-Speicherkatalysators 6 stellt sich dann ein Lambdawert II von Eins ein.
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Ferner wird von Steuergerät zeitgleich eine Einspeisung eines Reagenzes in den Abgasstrom ausgangsseitig des ersten NOx-Speicherkatalysators 6 unter Verwendung der Einspeisestelle 10 durchgeführt. Dabei wird unter zeitgleich verstanden, dass das Einstellen eines unterstöchiometrischen Betriebs und das Einspeisen des Reagenzes gleichzeitig beginnen. Alternativ kann das Einspeisen des Reagenzes auch zeitverzögert nach dem Einstellen des unterstöchiometrischen Betriebs erfolgen. Z. B. kann beim zeitverzögerten Einspeisen des Reagenzes die Laufzeit des Abgasstromes berücksichtigt werden, die dieser benötigt, um vom ersten NOx-Speicherkatalysator 6 zur Einspeisestelle 10 zu gelangen. Ferner kann zusätzlich die Zeitdauer berücksichtigt werden, die nach dem Einstellen des fetten Gemisches vergeht, bis sich ausgangsseitig des ersten NOx-Speicherkatalysators 6 ein Lambdawert von Eins einstellt.
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Als Reagenz wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel Kraftstoff verwendet, der der Brennkraftmaschine 2 als Betriebsmittel zugeführt wird. Anstelle des Kraftstoffs kann jedoch auch ein anderes Reagenz verwendet werden, die in der Lage ist, den Lambdawert des Abgasstromes ausgangsseitig des ersten NOx-Speicherkatalysators 6 auf einen Wert kleiner als Eins zu reduzieren. Die Menge des zugeführten Reagenzes wird von dem Steuergerät bestimmt.
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Somit wird dem zweiten NOx-Speicherkatalysator 8 ein Abgasstrom zugeführt, dem als Reagenz Kraftstoff in vernebelter Form beigemengt wurde. Aufgrund dieser Beimengung ist der Lambdawert III eingangsseitig des zweiten NOx-Speicherkatalysators 8 kleiner Eins, es stellt sich eine Differenz für den Lambdawert Δλ ein.
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Das bedeutet, dass durch die Beimengung des Reagenzes dem zweiten NOx-Speicherkatalysator 8 ein unterstöchiometrisches Gemisch zugeführt wird und im zweiten NOx-Speicherkatalysator 8 ebenfalls eine Regeneration stattfindet, und zwar simultan zur Regeneration des ersten NOx-Speicherkatalysators 6.
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Zum Ende der Zeitdauer t1, d. h. nach Ablauf der Zeitdauer Δt, nähern sich dann die eingangsseitigen und ausgangsseitigen Lambdawerte II und III an, was ein Kennzeichen für eine vollständige Regeneration des ersten NOx-Speicherkatalysators 6 und des zweiten NOx-Speicherkatalysators 8 (Lambda Durchbruch) ist. Anschließend stellt das Steuergerät zu Beginn der Zeitdauer t2 wieder den Normalbetrieb mit Sauerstoffüberschuss ein. Die Speicherschichten des ersten NOx-Speicherkatalysators 6 und des zweiten NOx-Speicherkatalysators 8 weisen nun keine Stickoxide mehr auf, sie sind somit regeneriert.
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Zur Verdeutlichung der Erfindung ist in 2 dargestellt, dass bei einer Regeneration des ersten NOx-Speicherkatalysators 6 und des zweiten NOx-Speicherkatalysators 8 ohne Einspeisung eines Reagenzes in den Abgasstrom ausgangsseitig des ersten NOx-Speicherkatalysators 6 bei baugleichen ersten NOx-Speicherkatalysator 6 und zweiten NOx-Speicherkatalysator 8 das Steuergerät einen Regenerationsschritt durch Einstellen eines unterstöchiometrischen Betriebs mit einem Lambdawert IV kleiner Eins durchführt, dessen Zeitdauer im Vergleich zur Erfindung um die Zeitdauer t2 auf eine Gesamtzeitdauer t1 + t2 verlängert ist, also nahezu doppelt so lang ist. Durch diese zeitliche Verkürzung des Regenerationsschritts wird der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine 2 während der Regeneration und damit der Gesamtverbrauch reduziert.
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Obwohl im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Regenration des zweiten NOx-Speicherkatalysators durch Zufuhr des Reagenzes in das dem zweiten NOx-Speicherkatalysator zugeführte Abgas gleichzeitig zu einer Regeneration des ersten NOx-Speicherkatalysator durch Einstellen eines unterstöchiometrischen Betriebs der Brennkraftmaschine stattfindet, kann die Regeneration des zweiten NOx-Speicherkatalysators auch unabhängig von der Regeneration des ersten NOx-Speicherkatalysators erfolgen. Hierzu kann die Zufuhr des Reagenzes in das dem zweiten NOx-Speicherkatalysator zugeführte Abgas während eines Normalbetriebs der Brennkraftmaschine erfolgen, so dass lediglich im dem stromab zum ersten NOx-Speicherkatalysator gelegenen Abschnitt des Abgastraktes ein unterstöchiometrisches Gemisch vorhanden ist.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Brennkraftmaschine
- 4
- Abgasnachbehandlungsvorrichtung
- 6
- erster NOx-Speicherkatalysator
- 8
- zweiter NOx-Speicherkatalysator
- 10
- Einspeisestelle
- Δλ
- Differenz
- I
- Lambdawert des zugeführten Gemisches
- II
- Lambdawert ausgangsseitig des ersten NOx-Speicherkatalysator
- III
- Lambdawert eingangsseitig des zweiten NOx-Speicherkatalysator
- IV
- Lambdawert des zugeführten Gemisches
- Δt
- Zeitdauer
- t0
- Zeitdauer
- t1
- Zeitdauer
- t2
- Zeitdauer
- R
- Abgasströmungsrichtung
