DE102016119211A1

DE102016119211A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102016119211A1
Application number: DE102016119211.2A
Authority: DE
Inventors: Falk-Christian Baron von Ceumern-Lindenstjerna; Lars Schlüter; Stefan PAUKNER
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-10-10
Filing date: 2016-10-10
Publication date: 2018-04-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors. Dabei sind in einem Abgaskanal der Vorrichtung in Strömungsrichtung des Abgases zunächst ein Drei-Wege-Katalysator und stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators ein Partikelfilter vorgesehen. Die Vorrichtung weist einen Bypass auf, mit dem Abgas an dem Drei-Wege-Katalysator vorbeigeleitet und dem Partikelfilter zugeführt werden kann. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters in einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors, wobei in einem Schubbetrieb des Verbrennungsmotors das Abgas an einem Drei-Wege-Katalysator vorbeigeleitet und dem Partikelfilter zugeführt wird, um den Partikelfilter mit einem überstöchiometrischen Abgas zu beaufschlagen und die im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußpartikel zu oxidieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Zukünftige Abgasgesetzgebungen stellen hohe Anforderungen an motorische Rohemissionen und an die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Mit Einführung der nächsten Abgasgesetzgebungsstufe „EU6“ wird auch für Ottomotoren ein Grenzwert für die emittierte Partikelanzahl vorgeschrieben. Dies kann dazu führen, dass in einigen Modellen der Einsatz eines Partikelfilters nötig sein wird, um diese nächste Abgasgesetzgebung zu erfüllen. 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 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
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 Verbrennungsluftverhältnisses 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 2010 044 102 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren bekannt, bei der Frischluft durch einen Verdichter im Ansaugkanal mit Druck beaufschlagt wird und über eine Sekundärluftleitung stromaufwärts eines Partikelfilters in den Abgaskanal eingeleitet wird.
Nachteilig an einer solchen Lösung ist jedoch, dass der Verdichter gerade dann besonders viel Druck erzeugt, wenn der Verbrennungsmotor mit einer hohen Leistung betrieben wird. In diesen Betriebspunkten gibt es meist ohnehin keine Probleme, eine Regeneration des Partikelfilters durchzuführen.
Ferner ist eine zumindest partielle Regeneration eines Partikelfilters in einem Abgaskanal eines Ottomotors bekannt, bei der der zur Oxidation der Partikel notwendige Sauerstoff in einer Schubphase des Kraftfahrzeuges in den Abgaskanal eingebracht wird. Nachteilig an einer solchen Lösung ist jedoch, dass bei einem stromabwärts eines Drei-Wege-Katalysators angeordneten Partikelfilter zunächst die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Drei-Wege-Katalysators dazu führt, dass Sauerstoff in dem Drei-Wege-Katalysator eingelagert wird und in einem ersten Abschnitt der Schubphase nicht zur Oxidation des Rußes im Partikelfilter zur Verfügung steht. Zudem ist die Schubphase oftmals so kurz, dass trotz einer zur Regeneration des Partikelfilters hinreichenden Temperatur die Schubphase nicht zu einer Regeneration des Partikelfilters führt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Abgasreinigung und insbesondere eine effizientere Regeneration des Partikelfilters zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem Abgaskanal, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors durch den Abgaskanal ein Drei-Wege-Katalysator und stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators ein Partikelfilter angeordnet ist, gelöst, wobei ein Bypass vorgesehen ist, über welchen ein Abgasstrom parallel zu dem Drei-Wege-Katalysator an dem Drei-Wege-Katalysator vorbei geführt werden kann. Durch einen Bypass zum Drei-Wege-Katalysator besteht die Möglichkeit, einen Abgasstrom an dem Drei-Wege-Katalysator vorbeizuführen. Dadurch kann insbesondere ein Auskühlen des Drei-Wege-Katalysators unter eine sogenannte „Light-off“-Temperatur vermieden werden, wenn beispielsweise in einer Schubphase des Verbrennungsmotors Frischluft aus den Brennräumen des Verbrennungsmotors in den Abgaskanal ausgeschoben wird und diese Frischluft zu einem konvektiven Kühlen der Komponenten der Abgasnachbehandlung führt. Ferner kann eine unerwünschte Sauerstoff-Einlagerung in den Drei-Wege-Katalysator vermieden werden. Eine Sauerstoff-Einlagerung in dem Drei-Wege-Katalysator kann beispielsweise bei einem Wiedereinsetzen des Motorbetriebes nach einer Schub- oder Schleppphase dazu führen, dass die Lambdaregelung des Verbrennungsmotors nicht optimal funktioniert und es zu einem Durchbruch an Stickoxiden durch den Drei-Wege-Katalysator kommt, da der im Drei-Wege-Katalysator gespeicherte Sauerstoff eine Umsetzung der Stickoxid-Emissionen erschwert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist sowohl für einen konventionellen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Ottomotor, als auch für einen Verbrennungsmotor in einem Hybridantriebsstrang vorgesehen.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale sind Verbesserungen und vorteilhafte Weiterbildungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors möglich.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Bypass an einer Verzweigungsstelle stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators, vorzugsweise unmittelbar stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators, von dem Abgaskanal abzweigt und stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators und stromaufwärts des Partikelfilters wieder in den Abgaskanal einmündet. Durch ein Einleiten des durch den Bypass geführten Abgases, insbesondere während eines Schubbetriebes des Verbrennungsmotors, kann dem Partikelfilter der Sauerstoff zur Regeneration schneller als in aus dem Stand der Technik bekannten Schubphasen zur Verfügung gestellt werden, da nicht zuerst die Sauerstoffspeicher im Drei-Wege-Katalysator aufgefüllt werden, sondern der Sauerstoff aus der Frischluft sofort für die Regeneration des Partikelfilters zur Verfügung steht. Somit können auch kürzere Schubphasen für eine effiziente Regeneration des Partikelfilters genutzt werden, welche bei einem Durchleiten der Frischluft durch den Drei-Wege-Katalysator zu keiner oder nur geringer Regeneration des Partikelfilters führen würden.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn an der Verzweigungsstelle eine Abgasklappe vorgesehen ist, über welche der Abgasstrom des Verbrennungsmotors wahlweise durch den Drei-Wege-Katalysator oder durch den Bypass geleitet werden kann. Durch eine Abgasklappe ist eine einfache Steuerung des Abgasstromes möglich, sodass das Abgas wahlweise durch den Drei-Wege-Katalysator oder durch den Bypass geleitet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Partikelfilter in einer motofernen Einbauposition, insbesondere in einer Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges, angeordnet ist. Durch eine Einbauposition des Partikelfilters in einer Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges kann ein vergleichsweise großvolumiger Partikelfilter mit einer hohen Speicherkapazität für Rußpartikel genutzt werden, sodass eine Regeneration des Partikelfilters in zeitlich größeren Intervallen durchgeführt werden kann. Zudem kann der Drei-Wege-Katalysator dadurch in einer motornahen Position angeordnet werden, wodurch ein schnelleres Aufheizen des Drei-Wege-Katalysators nach einem Kaltstart auf eine „Light-off-Temperatur“ möglich ist. Dadurch können insbesondere in einer Startphase die Emissionen verbessert werden. Unter einer motornahen Position wird in diesem Zusammenhang eine Position mit einer Lauflänge des Abgaskanals von weniger als 50 cm, vorzugsweise von weniger als 30 cm, ab einem Auslass des Verbrennungsmotors angesehen. Unter einer motorfernen Position wird in diesem Zusammenhang eine Position mit einer Abgaslauflänge von mindestens 80 cm, insbesondere von mindestens 120 cm, ab einem Auslass des Verbrennungsmotors angesehen.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem Abgaskanal vorgeschlagen, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors zunächst ein Drei-Wege-Katalysator und stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators ein Partikelfilter angeordnet ist, sowie mit einem Bypass, welcher an einer Verzweigungsstelle stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators von dem Abgaskanal abzweigt und stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators und stromaufwärts des Partikelfilters wieder in den Abgaskanal einmündet, wobei ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors in einem befeuerten Normalbetrieb des Verbrennungsmotors durch den Drei-Wege-Katalysator geleitet wird und in einem unbefeuerten Schubbetrieb des Verbrennungsmotors durch den Bypass geleitet wird. Dadurch kann ein Auskühlen des Drei-Wege-Katalysators in einem Schubbetrieb verhindert werden und dem Partikelfilter der Sauerstoff zur Oxidation der im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußpartikel bereitgestellt werden. Schubphasen sind also Phasen, in denen selbst bei ansonsten stöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis ein Sauerstoffüberschuss in der Abgasanlage im Betrieb des Motors vorliegt, da hier die Einspritzung von Kraftstoff in die Brennräume des Verbrennungsmotors deaktiviert wird und somit Frischluft durch den Motor in den Abgaskanal gefördert wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Abgas des Verbrennungsmotors zur Regeneration des Partikelfilters durch den Bypass geleitet wird. Um für die Regeneration des Partikelfilters in einer Schubphase des Verbrennungsmotors Sauerstoff zur Verfügung zu stellen und somit eine effiziente Regeneration des Partikelfilters zu ermöglichen, ist es hilfreich, wenn die in der Schubphase verdichtete und in den Abgaskanal ausgeschobene Frischluft an dem Drei-Wege-Katalysator vorbeigeführt und direkt dem Partikelfilter zur Verfügung gestellt wird. Dadurch kann eine zeitliche Verzögerung in der Regeneration des Partikelfilters vermieden werden, in der ansonsten zunächst die Sauerstoffspeicherfähigkeit (Oxigen-Storage-Capacity (OSC)) des Drei-Wege-Katalysators dazu führt, dass Sauerstoff in den Drei-Wege-Katalysator eingelagert wird und nicht für die Regeneration des Partikelfilters zur Verfügung steht.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das Abgas nur dann durch den Bypass geleitet wird, wenn am Partikelfilter ein zur Regeneration des Partikelfilters notwendiges Temperaturniveau vorherrscht. Wird der Abgasstrom im Allgemeinen durch den Drei-Wege-Katalysator geführt und nur beim Vorliegen eines hinreichenden Temperaturniveaus durch den Bypass geführt, so wird ein Auskühlen des Partikelfilters in Schubphasen, in denen ohnehin kein hinreichendes Temperaturniveau vorherrscht, verlangsamt werden, da bei einem Durchleiten des Abgases durch den Drei-Wege-Katalysator die Restwärme des Drei-Wege-Katalysators dazu führt, dass sich der Partikelfilter im Vergleich zu einem Bypassbetrieb langsamer abkühlt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Temperaturniveau zwischen 600°C und 750°C liegt. Um eine Regeneration des Partikelfilters zu ermöglichen, sind zum einen ein hinreichendes Temperaturniveau und zum anderen das Vorliegen von Restsauerstoff im Abgas notwendig. Dabei wird ein Temperaturniveau von 600°C bis 750°C als optimal angesehen, da unterhalb dieser Temperatur die Gefahr besteht, dass die Oxidation des Rußes aufgrund eines zu niedrigen Temperaturniveaus zum Erliegen kommt und oberhalb dieses die Dauerhaltbarkeit des Partikelfilters abnimmt und (zumindest langfristig) thermische Schädigungen des Partikelfilters möglich sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Bypass verschlossen und der Hauptabgaspfad durch den Drei-Wege-Katalysator geöffnet wird, sobald eine Momentenanforderung an den Verbrennungsmotor vorliegt. Im Vergleich zu einer Lambda-Regelung für die Steuerung der Abgasklappe ist eine Regelung über eine Momentenanforderung für den Verbrennungsmotor deutlich schneller, da hier ein Todzeitglied entfällt. Damit kann sichergestellt werden, dass das Abgas in einem befeuerten Betrieb des Verbrennungsmotors durch den Drei-Wege-Katalysator geleitet wird und nicht über den Bypass geführt wird. Dadurch wird ein Emissionsschlupf nach Zuschalten des Verbrennungsmotors und/oder Wiederaufnahme des befeuerten Normalbetriebes verhindert.
Gemäß einer vorteilhaften Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor unmittelbar nach einer Schubphase mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird. Würde der Drei-Wege-Katalysator mit einem gefüllten Sauerstoffspeicher beim Wiedereinsetzen des befeuerten Motorbetriebs ohne weitere Maßnahmen betrieben werden, wäre eine Funktionalität der Lambdaregelung eingeschränkt und es käme zu einer Emissionsverschlechterung. Da der Sauerstoffspeicher des Drei-Wege-Katalysators durch den Bypassbetrieb weitestgehend entleert bleibt, kann der Verbrennungsmotor unmittelbar nach einer Schubphase mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben werden und ein ansonsten notwendiger unterstöchiometrischer Betrieb zum Ausräumen der Sauerstoffspeicher des Drei-Wege-Katalysators entfallen. Dadurch kann der Verbrennungsmotor effizienter betrieben werden und Kraftstoff eingespart werden.
Alternativ kann auch ein gegenüber einem Betrieb ohne Bypass deutlich verkürzter Ausräum-Vorgang des Drei-Wege-Katalysators durchgeführt werden.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors;
2 zeitliche Verläufe verschiedener Parameter während eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit Bypassbetrieb (unterbrochene Graphen) im Vergleich zu einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ohne Bypassbetrieb (durchgezogene Graphen);
3 eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors.
1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors 10. Der Verbrennungsmotor 10 ist auslassseitig mit einem Abgaskanal 12 verbunden, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases ein Drei-Wege-Katalysator 14 und stromab des Drei-Wege-Katalysators 14 ein Partikelfilter 16 angeordnet sind. Stromabwärts eines Auslasses 42 des Verbrennungsmotors 10 und stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators 14 ist am Abgaskanal 12 eine Verzweigungsstelle 20 vorgesehen, an welcher ein Bypass 18 zur Überbrückung des Drei-Wege-Katalysators 14 von dem Abgaskanal 12 abzweigt. Der Bypass 18 mündet stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 14 und stromaufwärts des Partikelfilters 16 wieder an einer Einmündung 24 in den Abgaskanal 12. An der Verzweigungsstelle 20 ist ein Abgasklappe 22 angeordnet, mit der ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 wahlweise durch einen Hauptabgaspfadpfad 44 des Abgaskanals 12, in dem der Drei-Wege-Katalysator 14 angeordnet ist, oder durch den Bypass 18 geleitet werden kann. Stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators 14, insbesondere zwischen der Verzweigungsstelle 20 und dem Drei-Wege-Katalysator 14, ist eine erste Lambdasonde 38 angeordnet. Stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 14, bevorzugt zwischen dem Drei-Wege-Katalysator 14 und dem Partikelfilter, besonders bevorzugt stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 14 und stromaufwärts der Einmündung 24, ist eine zweite Lambdasonde 40 zur Steuerung des Verbrennungsluftverhältnisses angeordnet. Stromaufwärts und stromabwärts des Partikelfilters 16 ist jeweils ein Drucksensor 28, 30 angeordnet, wobei über die Drucksensoren 28, 30 eine Druckdifferenz über den Partikelfilter 16 gemessen werden kann, welche als eine Kenngröße für die Notwendigkeit einer Regeneration des Partikelfilters 16 angesehen werden kann. Ferner ist am Abgaskanal 12, vorzugsweise unmittelbar stromaufwärts des Partikelfilters 16 oder am Partikelfilter 16 ein Temperatursensor 36 vorgesehen, um eine Abgastemperatur beim Eintritt in den Partikelfilter 16 zu bestimmen. Der Temperatursensor 36, die Drucksensoren 28, 30 und die Lambdasonden 38, 40 sind über Signalleitungen 34 mit einem Steuergerät 32 des Verbrennungsmotors 10 verbunden. Ferner ist ein Stellorgan 46 für die Abgasklappe 22 von dem Steuergerät 32 aus ansteuerbar. Der Drei-Wege-Katalysator 14 ist vorzugsweise in einer motornahen Position und der Partikelfilter 16 in einer Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges angeordnet.
In 2 wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand zeitlicher Verläufe verschiedener Parameter erläutert (λ: Lambdawert stromab des Partikelfilters 16, T: Abgastemperatur stromauf des Drei-Wege-Katalysators 14, ṁ: Abgasmassenstrom durch den Drei-Wege-Katalysator 14). Dabei stellen die durchgezogenen Graphen jeweils die Verläufe während einer herkömmlichen Verfahrensführung ohne Bypass 18 beziehungsweise ohne Bypassaktivierung dar und die unterbrochenen Graphen die Verläufe während einer erfindungsgemäßen Verfahrensführung.
In einem Normalbetrieb I wird der Verbrennungsmotor 10 im herkömmlichen Verfahren (durchgezogene Kurve λ) mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ = 1) betrieben. Dabei werden (mangels Bypass) sowohl der Drei-Wege-Katalysator 14 als auch der Partikelfilter 16 mit dem Abgas des Verbrennungsmotors 10 beaufschlagt. Nach Beginn einer Schubabschaltungsphase II, bei der die Kraftstoffzufuhr des Verbrennungsmotors 10 unterbrochen wird, strömt mageres Abgas (λ > 1) durch den Drei-Wege-Katalysator 14 als auch den Partikelfilter 16. Der Anstieg des Lambdawerts λ hinter dem Partikelfilter 16, das heißt der Magerdurchbruch, setzt jedoch erst nach einer zeitlichen Verzögerung ein. Diese zeitliche Verzögerung des Magerdurchbruchs nach dem Beginn der Schubphase II resultiert aus den zur Auffüllung des Sauerstoffspeichers (OSC) des Drei-Wege-Katalysators 14 und des Partikelfilters 16 erforderlichen Dauern. Der Rußumsatz auf dem Partikelfilter 16 beginnt jedoch erst mit der Beaufschlagung der im Partikelfilter 16 zurückgehaltenen Rußpartikel mit magerem Abgas, also nachdem die Sauerstoffspeicher des vorgelagerten Drei-Wege-Katalysators 14 und des Partikelfilters 16 selbst gefüllt sind. Somit existiert eine zeitliche Verzögerung zwischen der Schubabschaltung der Einspritzung in die Brennräume des Verbrennungsmotors 10 und der einsetzenden Rußoxidation auf dem Partikelfilter 16, wie anhand des zeitlichen Verlaufs des Abgasluftverhältnisses λ stromabwärts des Partikelfilters 16 erkennbar ist (2, oben, durchgezogener Verlauf). Diese zeitliche Verzögerung führt dazu, dass Schubphasen im Stand der Technik häufig nicht ausreichend lang sind, um die Sauerstoffspeicher des Drei-Wege-Katalysators 14 und des Partikelfilters 16 zu füllen und anschließend den Partikelfilter 16 hinreichend zu regenerieren. Die im herkömmlichen Verfahren während der Schubabschaltung II bereitgestellte Regenerationszeit ist in 2 oben mit ∆t‘ dargestellt.
Durch die unterbrochene Linie in 2 ist eine Regeneration des Partikelfilters 16 gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt. Im Normalbetrieb I ist der Bypass 18 geschlossen und das Abgas des Verbrennungsmotors 10 wird durch den Drei-Wege-Katalysator 14 und anschließend durch den Partikelfilter 16 geleitet. Ist die Temperatur des Partikelfilters 16 für eine Regeneration ausreichend hoch und eine Regeneration des Partikelfilters 16 erforderlich, wird bei einer einsetzenden Schubphase II und angeforderter Schubabschaltung die Abgasklappe 22 derart umgestellt, dass die Frischluft aus den Brennräumen des Verbrennungsmotors 10 durch den Bypass 18 geleitet wird. Damit wird die Frischluft nicht mehr über den Drei-Wege-Katalysator 14 geführt und der in der Luft vorhandene Sauerstoff wird zunächst lediglich zur Auffüllung des Sauerstoffspeichers des Partikelfilters 16 aufgebracht. Da die Befüllung des Sauerstoffspeichers des Drei-Wege-Katalysators 14 entfällt, beaufschlagt das magere Abgas (Frischluft) nach Einsetzen der Schubphase II den Partikelfilter 16 mit einer geringeren zeitlichen Verzögerung als im Stand der Technik. Somit beginnt der Rußumsatz auf dem Partikelfilter 16 zu einem früheren Zeitpunkt und die während der Schubabschaltung II im erfindungsgemäßen Verfahren bereitgestellte Regenerationszeit ∆t ist länger als im Stand der Technik.
Dennoch ist ein vollständiger Umsatz der Rußbeladung des Partikelfilters 16 bei einer einzigen Schubphase in der Regel unwahrscheinlich und je nach Beladungsmenge des Partikelfilters 16 auch zu vermeiden, da dies zu einer bauteilschädigenden Temperatur führen kann. Somit sind zur vollständigen Regeneration des Partikelfilters 16 in der Regel mehrere aufeinander folgende Schubphasen des Verbrennungsmotors 10, vorzugsweise eines Ottomotors, notwendig, wobei die erforderliche Anzahl solcher Schubphasen im Stand der Technik jedoch größer ist als gemäß der Erfindung.
Wird die Schubphase durch eine Momentenanforderung an den Verbrennungsmotor 10 unterbrochen, wird in einer dritten Betriebsphase III der Bypass 18 durch die Abgasklappe 22 wieder verschlossen und das Abgas strömt wieder über den Hauptabgaspfad 44 durch den Drei-Wege-Katalysator 14, um die bei der Verbrennung auftretenden Schadstoffe effizient konvertieren zu können.
Während der Schubabschaltung II kann gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren das Luftverhältnis λ im Drei-Wege-Katalysator 14 mithilfe des Bypasses 18 bei einsetzendem Schubbetrieb konstant bei Lambda = 1 gehalten werden. Da der Abgasmassenstrom ṁ über den Drei-Wege-Katalysator 14 in dieser Phase auf Null fällt (siehe 2, unten) und das Abgas vollständig durch den Bypass 18 geführt wird, bleibt der zuletzt am Drei-Wege-Katalysator 14 Lambdawert nämlich unverändert.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat neben der verbesserten Regeneration des Partikelfilters 16 noch weitere Vorteile. Durch die Schubabschaltung und das Fördern von Frischluft durch den Abgaskanal 12 sinkt bei bekannten Lösungen die Temperatur des Drei-Wege-Katalysators 14 in den Schubphasen. Bei sinkender Temperatur des Drei-Wege-Katalysators 14 kann die katalytische Konvertierungseigenschaft eingeschränkt sein und somit zu einem negativen Emissionseinfluss führen. Dieses Auskühlen kann durch die Bypassschaltung vollständig vermieden werden (siehe 2, Mitte). Daher kann der Bypass 18 auch in Betriebsphasen, in denen eine Regeneration des Partikelfilters 16 nicht erforderlich ist, aktiviert werden.
Des Weiteren ist nach jeder Schubphase II ein sogenanntes „Ausräumen“ (Entleeren) der Sauerstoffspeicher des Drei-Wege-Katalysators 14 erforderlich. Wie bereits beschrieben, werden diese Sauerstoffspeicher gefüllt, wenn ein überstöchiometrisches Abgas oder Frischluft durch den Drei-Wege-Katalysator 14 strömt. Würde der Drei-Wege-Katalysator 14 mit vollständig gefüllten Sauerstoffspeichern bei Wiedereinsetzen des Normalbetriebs des Verbrennungsmotors 10 ohne weitere Maßnahmen betrieben werden, wäre die Funktionalität der Lambdaregelung eingeschränkt und es könnte zu einer Emissionsverschlechterung kommen. Der Dauerstoffspeicher des Drei-Wege-Katalysators 14 wird durch die Lambdaregelung stets ausgenutzt, um eine optimale Konvertierung der Schadstoffe zu gewährleisten. Ist dieser Sauerstoffspeicher maximal gefüllt, kann es zu Durchbrüchen von Stickoxiden durch den Drei-Wege-Katalysator 14 kommen. Daher wird im Anschluss an jede Schubphase ein Ausräumen der Sauerstoffspeicher des Drei-Wege-Katalysators 14 eingeleitet. Hierbei wird der Sauerstoffspeicher mittels einer kurzen Phase eines unterstöchiometrischen, fetten Motorbetriebs geleert. Durch den Einsatz des Bypasses 18 kann auch die Dauer des Ausräumens der Sauerstoffspeicher des Drei-Wege-Katalysators 14 deutlich reduziert werden oder das Ausräumen gegebenenfalls komplett entfallen. Beides führt zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors 10.
In 3 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 beschrieben, sind in dem Hauptabgaspfad 44 stromabwärts der Verzweigungsstelle 20 und stromaufwärts der Einmündung 24 ein erster Drei-Wege-Katalysator 14 und ein zweiter Drei-Wege-Katalysator 26 angeordnet, wobei der erste Drei-Wege-Katalysator 14 bevorzugt in einer motornahen Position und der zweite Drei-Wege-Katalysator 26 in einer Unterbodenposition des Kraftfahrzeuges angeordnet sind. Dabei kann der erste Drei-Wege-Katalysator 14 als Vorkatalysator vergleichsweise klein ausgeführt werden, um ein schnelles Aufheizen und eine zeitnahe Betriebsbereitschaft nach einem Kaltstart zu erreichen, während der zweite Katalysator 26 großvolumig als Hauptkatalysator ausgeführt werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Abgaskanal
14: Drei-Wege-Katalysator
16: Partikelfilter
18: Bypass
20: Verzweigungsstelle
22: Abgasklappe
24: Einmündung
26: (zweiter) Drei-Wege-Katalysator
28: erster Drucksensor
30: zweiter Drucksensor
32: Steuergerät
34: Signalleitung
36: Temperatursensor
38: erste Lambdasonde
40: zweite Lambdasonde
42: Auslass
44: Hauptabgaspfad
46: Stellorgan
OSC: (Oxigen Storage Capacity) Sauerstoffspeicherfähigkeit des Drei-Wege-Katalysators
OPF: (Otto-)Partikelfilter
T: Temperatur
TWC: Drei-Wege-Katalysator
ṁ: Massenstrom
t: Zeit
∆t: Regenerationsdauer
λ: Luftverhältnis
I: erste Phase (Normalbetrieb)
II: zweite Phase (Schubabschaltung)
III: dritte Phase (Normalbetrieb)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013220899 A1 [0003]
DE 102010044102 A1 [0004]

Claims

Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10), mit einem Abgaskanal (12), in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors (10) durch den Abgaskanal (12) ein Drei-Wege-Katalysator (14) und stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators (14) ein Partikelfilter (16) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bypass (18) vorgesehen ist, über welchen ein Abgasstrom parallel zu dem Drei-Wege-Katalysator (14) an dem Drei-Wege-Katalysator (14) vorbeigeführt wird.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (18) an einer Verzweigungsstelle (20) stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators (14) von dem Abgaskanal (12) abzweigt und stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators (14) und stromaufwärts des Partikelfilters (16) wieder in den Abgaskanal (12) einmündet.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Verzweigungsstelle (20) eine Abgasklappe (22) vorgesehen ist, über welche der Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10) wahlweise durch den Drei-Wege-Katalysator (14) oder durch den Bypass (18) geleitet werden kann.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (16) in einer motorfernen Einbauposition, insbesondere in einer Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges, angeordnet ist.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) mit einem Abgaskanal (12), in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors (10) zunächst der Drei-Wege-Katalysator (14) und stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators (14) ein Partikelfilter (16) angeordnet ist, sowie mit einem Bypass (18), welcher an einer Verzweigungsstelle (20) stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators (14) von dem Abgaskanal (12) abzweigt und stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators (14) und stromaufwärts des Partikelfilters (16) wieder in den Abgaskanal (12) einmündet, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10) in einem befeuerten Normalbetrieb des Verbrennungsmotors (10) durch den Drei-Wege-Katalysator (14) geleitet wird und in einem Schubbetrieb des Verbrennungsmotors (10) durch den Bypass (18) geleitet wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas des Verbrennungsmotors (10) zur Regeneration des Partikelfilters (16) durch den Bypass (18) geleitet wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas nur dann durch den Bypass (18) geleitet wird, wenn am Partikelfilter (16) ein zur Regeneration des Partikelfilters (16) notwendiges Temperaturniveau vorherrscht.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturniveau zwischen 600°C und 750°C liegt.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (18) verschlossen und der Hauptabgaspfad (44) durch den Drei-Wege-Katalysator (14) geöffnet wird, sobald eine Momentenanforderung an den Verbrennungsmotor (10) vorliegt.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) unmittelbar nach einer Schubphase mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird.