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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors. Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellen hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Die Fahrzeug- und Motorenhersteller sind angehalten, den Verbrauch der Verbrennungsmotoren und die damit verbundenen CO2-Emissionen zu reduzieren. Dies führt unter anderem dazu, dass für Verbrennungsmotoren verbrauchsoptimierte Brennverfahren entwickelt werden. Eine Möglichkeit, den Verbrauch eines Ottomotors zu reduzieren, ist ein Magerbrennverfahren, also ein Brennverfahren, bei dem der Verbrennungsmotor weitestgehend mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird. Da bei einem Magerbrennverfahren die Stickoxid(NOx)-Emissionen nicht mehr hinreichend mit einem konventionellen Drei-Wege-Katalysator aus dem Abgas umgesetzt werden können, sind zusätzliche Katalysatoren wie beispielsweise NOx-Speicherkatalysatoren erforderlich. Dabei werden die NOx-Emissionen des Verbrennungsmotors als Nitrate im NOx-Speicherkatalysator eingelagert. Diese NOx-Speicherkatalysatoren müssen periodisch, beispielsweise mithilfe einer motorischen Fettphase, regeneriert werden. Die Einleitung einer motorischen Fettphase unterliegt gewissen Rahmenbedingungen, daher ist es nicht immer möglich, eine solche motorische Fettphase einzuleiten, auch wenn dies aus Sicht der Abgasnachbehandlungskomponenten sinnvoll oder notwendig wäre.
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Aus der
DE 10 2014 202 291 A1 ist eine Abgasreinigungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei der ein Abgasstrom eines Verbrennungsmotors stromauf eines Katalysators in einen Hauptabgasstrom und einen Nebenabgasstrom verzweigt. Der Nebenabgasstrom wird durch einen Reformator geleitet und stromauf des Katalysators oder direkt in den Katalysator geführt, um ein mittels des Reformators erzeugtes Reformatgas zur Abgasreinigung im Katalysator oder zur Regeneration des Katalysators zu nutzen. Da der Nebenabgasstrom, welcher in den Reformator geleitet wird, jedoch genauso wie der Hauptabgasstrom von den Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors abhängig ist, kann es auch bei dieser Lösung dazu kommen, dass die Rahmenbedingungen beziehungsweise Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors nicht geeignet sind, um eine Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators einzuleiten. Darüber hinaus wird der Katalysator in jedem Betriebspunkt des Verbrennungsmotors mit dem gesamten Abgasmassenstrom aus Motorabgas und Reformatgas beaufschlagt.
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Die
DE 198 16 276 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die einen NOx-Speicherkatalysator aufweist. Dabei wird nach einer Aufforderung einer Entschwefelung des NOx-Speicherkatalysators die Betriebsweise der Brennkraftmaschine auf ein unterstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis geändert und gleichzeitig Sekundärluft stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators während eines ersten Zeitintervalls T1 in die Abgasanlage eingeblasen. Nach der Abschaltung der Sekundärlufteinblasung wird die Brennkraftmaschine während eines zweiten Zeitintervalls T2 weiterhin mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben. Anschließend erfolgt die Wiederaufnahme des Normalbetriebs der Brennkraftmaschine. Durch dieses Verfahren ist eine einfache Entschwefelung des NOx-Speicherkatalysators möglich.
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Aus der
US 8 726 639 B2 ist ein Verfahren zur Regeneration eines Speicherkatalysators für einen Verbrennungsmotor bekannt. In dem Verfahren wird ein Regenerationsmittel zur Regeneration des Speicherkatalysators in die Abgasanlage des Verbrennungsmotors eingebracht. Dabei wird während der Regeneration des Speicherkatalysators ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors durch diesen Speicherkatalysator zumindest eingeschränkt.
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Ferner beschreibt die US 2011 / 0 047 987 A1 einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem. Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst eine Abgasanlage mit einem Abgashauptkanal und einem Bypass zu diesem Abgashauptkanal. Dabei ist in dem Bypass ein NOx-Speicherkatalysator angeordnet.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, bei dem eine Regeneration des NOx-Speicherkatalysators unter allen Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors möglich ist und bei dem die in die bisherigen Verfahren auftretenden Sekundäremissionen nicht auftreten oder zumindest reduziert sind.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem Abgaskanal und einem im Abgaskanal angeordneten Drei-Wege-Katalysator gelöst, wobei der Abgaskanal in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors durch den Abgaskanal stromab des Drei-Wege-Katalysators eine Verzweigung aufweist und sich in einen Hauptkanal und einen Bypasskanal verzweigt, wobei im Abgaskanal ein Stellelement angeordnet ist, mit dem ein Abgasstrom zwischen dem Hauptkanal und dem Bypasskanal umschaltbar ist, wobei im Hauptkanal ein NOx-Speicherkatalysator angeordnet ist, und wobei stromab der Verzweigung und stromauf des NOx-Speicherkatalysators eine Einmündung zur Einleitung eines Reduktionsmittels in den Hauptkanal ausgebildet ist. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- - Betreiben des Verbrennungsmotors mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis, wobei das Abgas des Verbrennungsmotors durch den Hauptkanal des Abgaskanals geleitet und die NOx-Emissionen des Verbrennungsmotors in dem NOx-Speicherkatalysator eingelagert werden;
- - Regenerieren des NOx-Speicherkatalysators, wobei das Abgas des Verbrennungsmotors durch den Bypasskanal geleitet wird und ein Reduktionsmittel durch die Einmündung in den Hauptkanal eingeleitet wird, wobei zwischen der Beladung und der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators ein weiterer Verfahrensschritt vorgesehen ist, in dem der NOx-Speicherkatalysator für eine optimale Regeneration vorkonditioniert wird.
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Durch ein solches Verfahren ist eine Regeneration des NOx-Speicherkatalysators unabhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors möglich. Zudem kann eine Raumgeschwindigkeit im NOx-Speicherkatalysator während der Regeneration deutlich geringer als bei einer Regeneration des NOx-Speicherkatalysators mittels einer motorischen Fettphase gewählt werden, was zu besseren Umsätzen und einer verbesserten Regeneration des NOx-Speicherkatalysators führt. Zudem werden die Sekundäremissionen bei der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators reduziert, wobei der Verbrennungsmotor während der Regeneration vorzugsweise mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird und somit während der Regeneration eine optimale Konvertierung der schädlichen Abgaskomponenten des Verbrennungsmotors durch den vorzugsweise motornah angeordneten Drei-Wege-Katalysator erfolgt. Durch eine Vorkonditionierung kann eine verbesserte und effizientere Regeneration des NOx-Speicherkatalysators erreicht werden.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors dargestellt.
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Gemäß einer bevorzugten Variante des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor während der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird. Dadurch ist eine effiziente Abgasreinigung durch den Drei-Wege-Katalysator möglich, sodass während der Regeneration eine optimale Konvertierung der schädlichen Abgaskomponenten durch den Drei-Wege-Katalysator erfolgt.
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In einer Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass zur Vorkonditionierung des NOx-Speicherkatalysators der Verbrennungsmotor mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird, das Abgas des Verbrennungsmotors durch den Hauptkanal geleitet wird und gleichzeitig das Reduktionsmittel durch die Einmündung in den Hauptkanal eingeleitet wird. Durch eine gleichzeitige Einleitung des Reduktionsmittels und eines Betriebs des Verbrennungsmotors mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis steht im Hauptkanal stromauf des NOx-Speicherkatalysators genügend Sauerstoff zur Verfügung, um zumindest einen Teil des Reduktionsmittels in einer exothermen Reaktion umzusetzen und somit den NOx-Speicherkatalysator aufzuheizen.
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Gemäß einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Vorkonditionierung des NOx-Speicherkatalysators vor der Regeneration auf einen Temperaturbereich zwischen 360°C und 440°C erfolgt. In diesem Temperaturbereich ist eine besonders effiziente Umsetzung der Nitrate auf dem NOx-Speicherkatalysator möglich.
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Ferner ist mit Vorteil vorgesehen, dass eine Regeneration des NOx-Speicherkatalysators eingeleitet wird, wenn stromab des NOx-Speicherkatalysators im Abgaskanal ein Anstieg der NOx-Konzentration detektiert wird. Erreicht der NOx-Speicherkatalysator seine Beladungsgrenze, können weitere Stickoxidemissionen nicht mehr oder nur noch unvollständig als Nitrate im NOx-Speicherkatalysator eingespeichert werden. Dies führt zu einem Anstieg der Stickoxide im Abgaskanal stromab des NOx-Speicherkatalysators, was beispielsweise durch einen NOx-Sensor gemessen werden kann. Durch ein solches Verfahren kann die Notwendigkeit einer Regeneration des NOx-Speicherkatalysators auf einfache Weise erkannt und anschließend durchgeführt werden. Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Regeneration eingeleitet wird, wenn anhand eines Bilanzierungsmodells erkannt wird, dass der NOx-Speicherkatalysator beladen ist und eine Regeneration des NOx-Speicherkatalysators notwendig ist.
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Als Reduktionsmittel wird vorzugsweise ein Reformatgas eines Reformators oder ein Kraftstoff eines unterstöchiometrisch betriebenen Brenners verwendet. Die Reformierung eines Kraftstoffes oder eines Abgases ist bereits aus dem Stand der Technik bekannt und wird beispielsweise in der
DE 10 2014 202 291 A1 beschrieben. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn das Reformatgas unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) oder molekularen Wasserstoff (H
2) enthält. Unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid oder molekularer Wasserstoff sind geeignete Reduktionsmittel, um die Stickoxidemissionen beim Abbau der Nitrate in unschädlichen, molekularen Stickstoff (N
2) zu reduzieren.
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Gemäß einer bevorzugten Variante des Verfahrens erfolgt die Beladung des NOx-Speicherkatalysators bei einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λE des Verbrennungsmotors von 1,4 bis 2,5 und die Vorkonditionierung des NOx-Speicherkatalysators bei einem überstöchiometrischen Mischungsluftverhältnis λM mit geringerem Luftüberschuss in einem Bereich von λM zwischen 1,2 und 1,6. Dadurch kann der Verbrennungsmotor während der Beladung und während der Vorkonditionierung in einem verbrauchsoptimierten Magerbetrieb betrieben werden und es wird in der Vorkonditionierungsphase hinreichend viel Reformatgas eingeleitet, um eine Vorkonditionierung auf den gewünschten Temperaturbereich zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem Abgaskanal und einem im Abgaskanal angeordneten Drei-Wege-Katalysator vorgeschlagen, wobei der Abgaskanal in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors durch den Abgaskanal stromab des Drei-Wege-Katalysators eine Verzweigung aufweist und sich in einen Hauptkanal und einen Bypasskanal verzweigt, wobei im Abgaskanal ein Stellelement angeordnet ist, mit dem ein Abgasstrom zwischen dem Hauptkanal und dem Bypasskanal umschaltbar ist, wobei im Hauptkanal ein NOx-Speicherkatalysator angeordnet ist und wobei stromab der Verzweigung und stromauf des NOx-Speicherkatalysators eine Einmündung in den Hauptkanal ausgebildet ist, durch die ein Reduktionsmittel für die im NOx-Speicherkatalysator zurückgehaltenen Stickoxide in den Hauptkanal einleitbar ist. Durch eine solche Vorrichtung ist ein erfindungsgemäßes Verfahren mit den beschriebenen Vorteilen durchführbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zusätzlich einen Reformator oder einen Brenner umfasst, wobei der Brenner oder der Reformator über einen Reformatorkanal mit der Einmündung in den Hauptkanal verbunden ist. Dadurch kann auf einfache und zuverlässige Weise unabhängig von der Betriebsweise des Verbrennungsmotors ein Reduktionsmittel zur Regeneration des NOx-Speicherkatalysators zur Verfügung gestellt werden.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors;
- 2 ein Ablaufschema zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors;
- 3 ein Ablaufschema des jeweiligen Verbrennungsluftverhältnisses λE beziehungsweise Mischungsluftverhältnisses λM bei einer Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 4 eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors;
- 5 eine weitere alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors;
- 6 eine weitere alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors; und
- 7 eine weitere alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors;
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1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 mit einem Abgaskanal 12. Der Verbrennungsmotor 10 ist vorzugsweise als Ottomotor ausgebildet und kann sowohl als aufgeladener Verbrennungsmotor 10 als auch als Saugmotor ausgeführt sein. Im Abgaskanal 12 ist, vorzugsweise motornah, ein Drei-Wege-Katalysator 28 angeordnet. Dabei wird unter einer motornahen Anordnung ein mittlerer Abgaslaufweg von höchstens 50 cm, insbesondere von höchstens 30 cm, nach dem Auslass des Verbrennungsmotors 10 verstanden. Durch diese Nähe zum Verbrennungsmotor 10 wird ein besonders schnelles Anspringen des Drei-Wege-Katalysators 28 nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 erreicht, sodass dieser auch als Startkatalysator fungiert. Stromab des Drei-Wege-Katalysators 28 verzweigt sich der Abgaskanal 12 an einer Verzweigung 22 in einen Hauptkanal 14 und einen Bypasskanal 16. An der Verzweigung 22 ist ein Stellelement 26, vorzugsweise eine Abgasklappe, angeordnet, mit welcher der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 wahlweise durch den Hauptkanal 14 oder durch den Bypasskanal 16 geleitet werden kann. Alternativ kann das Stellelement 26 auch als Schieber ausgebildet sein. In dem Hauptkanal 14 ist, vorzugsweise in einer Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges, ein NOx-Speicherkatalysator 30 angeordnet. Stromab der Verzweigung 22 und stromauf des NOx-Speicherkatalysators 30 mündet ein Reformatorkanal 18, welcher einen Reformator 38 oder einen Brenner 42 mit dem Hauptkanal 14 verbindet, an einer Einmündung 20 in den Hauptkanal 14. Stromab des NOx-Speicherkatalysators 30 ist im Hauptkanal 14 ein NOx-Sensor 40 vorgesehen. Stromab des NOx-Speicherkatalysators 30 werden der Hauptkanal 14 und der Bypasskanal 16 an einer Einmündung 24 wieder zu einem gemeinsamen Abgaskanal 12 zusammengeführt. Im gemeinsamen Abgaskanal 12 kann stromab der Einmündung 24, wie in 6 dargestellt, ein Partikelfilter 36, vorzugsweise ein Partikelfilter mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, vorgesehen sein.
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In 2 ist der Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors 10 dargestellt. In einer ersten Phase, welche im Folgenden als Beladungsphase bezeichnet wird, wird der Verbrennungsmotor 10 mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λE > 1 betrieben. Das Stellelement 26 ist in dieser Beladungsphase so gestellt, dass der gesamte Abgasstrom durch den Hauptkanal 14 des Abgaskanals 12 geleitet wird. In der Beladungsphase erfolgt eine Abgasreinigung durch den Drei-Wege-Katalysator 28. Durch den überstöchiometrischen Betrieb des Verbrennungsmotors 10 ist es während der Beladungsphase jedoch nicht möglich, die Stickoxide im Abgas des Verbrennungsmotors 10 im Drei-Wege-Katalysator 28 in unschädliche Abgaskomponenten zu konvertieren, weshalb diese Stickoxide in der Beladungsphase im NOx-Speicherkatalysator 30 in Form von Nitraten eingespeichert werden.
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Ist die Beladungsgrenze des NOx-Speicherkatalysators 30 erreicht, was beispielsweise über einen Anstieg der Stickoxide am NOx-Sensor 40 stromab des NOx-Speicherkatalysators 30 oder durch ein in einem Steuergerät des Verbrennungsmotors 10 abgelegtes Bilanzierungsmodell ermittelt werden kann, wird eine Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 30 eingeleitet. Für eine optimale Umsetzung der eingespeicherten Nitrate im NOx-Speicherkatalysator 30 gibt es ein Temperaturfenster, bei dem die Umsetzung optimal abläuft. Dieses Temperaturfenster liegt in einem Bereich von 360° bis 440°C, wobei bei ca. 400°C ein Optimum erreicht wird. Liegt die Temperatur im Hauptkanal 14 am NOx-Speicherkatalysator 30 zum Zeitpunkt einer gewünschten Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 30 unterhalb dieses Temperaturfensters, kann optional in einer Vorkonditionierungsphase die Temperatur im Hauptkanal 14 stromauf des NOx-Speicherkatalysators 30 angehoben werden, indem ein Reformatgas über die Einmündung 20 in den Hauptkanal 14 eingeleitet wird. Da der Reformator 38 oder der Brenner 42 mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λR < 1 betrieben wird, stellt sich ein Mischungsluftverhältnis λM im Hauptkanal 14 ein, welches kleiner als das Verbrennungsluftverhältnis λE des Verbrennungsmotors 10 ist. Dieses Mischungsluftverhältnis λM liegt auch stromab des NOx-Speicherkatalysators 30 vor. Da der Bypasskanal 16 durch das Stellelement 26 in der Vorkonditionierungsphase verschlossen ist, entspricht auch das Mischungsluftverhältnis λM im Abgaskanal 12 stromab der Einmündung 24 dem Mischungsluftverhältnis λM im Hauptkanal 14. Diese Vorkonditionierungsphase wird so lange durchgeführt, bis sich am NOx-Speicherkatalysator 30 die gewünschte Temperatur eingestellt hat. Das Erreichen des Temperaturfensters kann durch eine Temperaturmessung im Abgaskanal 12 oder durch eine Modellierung festgestellt werden.
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In einer auf die Vorkonditionierungsphase oder, bei bereits erreichtem Temperaturfenster, direkt auf die Beladungsphase folgenden Regenerationsphase des NOx-Speicherkatalysators 30 wird das Stellelement 26 im Abgaskanal 12 derart verstellt, dass der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 vollständig durch den Bypasskanal 16 geleitet wird und der NOx-Speicherkatalysator 30 nicht mehr mit Abgas des Verbrennungsmotors 10 beaufschlagt wird. Der Verbrennungsmotor 10 wird während der Regeneration nicht mehr überstöchiometrisch, sondern mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben, wodurch eine vollständige Abgasreinigung durch den motornahen Drei-Wege-Katalysator 28 erfolgt. Eine Fettphase, also eine Phase mit unterstöchiometrischen Bedingungen am NOx-Speicherkatalysator 30 wird dabei nicht durch das Abgas des Verbrennungsmotors 10, sondern durch die Einleitung eines Reformatgases durch die Einmündung 20 eingeleitet. Dieses Reformatgas kann wahlweise mit einem fett betriebenen Brenner 42 oder mittels eines Kraftstoffreformators 38 erzeugt werden. Während der Einleitung des Reformatgases in den Hauptkanal 14 werden die Nitrate im NOx-Speicherkatalysator 30 wieder zersetzt und die eingespeicherten Stickoxide freigesetzt, wobei sie durch das Reformatgas, welches beispielsweise unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid oder molekularen Wasserstoff enthält, zu molekularem Stickstoff N2 reduziert werden. Vorteilhaft bei diesem Verfahren ist, dass die Raumgeschwindigkeit des NOx-Speicherkatalysators 30 während der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 30 deutlich geringer als bei einer Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 30 durch eine motorische Fettphase des Verbrennungsmotors 10 gewählt werden kann. Weiterhin kann der Zeitpunkt der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 30 unabhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 gewählt werden. In Zusammenspiel mit der Möglichkeit der Vorkonditionierung des NOx-Speicherkatalysators 30 resultieren daraus deutlich verbesserte Umsätze und Wirkungsgrade bei der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 30 gegenüber einer Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 30 mittels einer motorischen Fettphase des Verbrennungsmotors 10. Die Dauer der Regeneration wird so gewählt, dass die im NOx-Speicherkatalysator 30 eingespeicherten Nitrate vollständig abgebaut werden und der NOx-Speicherkatalysator 30 als regeneriert angesehen werden kann. Dieser Zustand kann durch eine stromab des NOx-Speicherkatalysators 30 angeordnete Lambda-Sonde 44 ermittelt werden. Sobald die Nitrate vollständig abgebaut sind, zeigt die Lambda-Sonde 44 eine unterstöchiometrische Abgaszusammensetzung an. In diesem Fall treten jedoch unerwünschte Sekundäremissionen wie Ammoniak, Kohlenmonoxid oder unverbrannte Kohlenwasserstoffe auf, da ein Fettdurchbruch des unterstöchiometrischen Reformatgases nicht vollständig vermieden wird. Alternativ kann der Abschluss der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 30 anhand eines in einem Steuergerät des Verbrennungsmotors 10 abgelegten Bilanzierungsmodells erfolgen. Nach Abschluss der Regeneration, welche beispielsweise durch den beschriebenen Fettdurchschlag stromab des NOx-Speicherkatalysators 30 oder durch das beschriebene Bilanzierungsmodell ermittelt werden kann, wird eine erneute Beladungsphase des NOx-Speicherkatalysators 30 eingeleitet. Dazu wird die Einleitung des Reformatgases abgestellt, der Verbrennungsmotor 10 wieder mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λE > 1 betrieben und das Stellelement 26 so gestellt, dass der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 wieder vollständig durch den Hauptkanal 14 geleitet wird. Der jeweilige Abgasstrom in den einzelnen Phasen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 2 eingezeichnet.
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In 3 sind die jeweiligen Verbrennungsluftverhältnisse beziehungsweise Mischungsluftverhältnisse im Hauptkanal 14 und im Bypasskanal 16 über den zeitlichen Verlauf des Verfahrens dargestellt.
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In der ersten Zeile ist das Verbrennungsluftverhältnis im Hauptkanal 14 vor dem NOx-Speicherkatalysator 30 aufgetragen. In der zweiten Zeile ist das Verbrennungsluft- oder Mischungsluftverhältnis im Hauptkanal 14 stromab des NOx-Speicherkatalysators 30 aufgetragen. In der dritten Zeile ist das Verbrennungsluftverhältnis im Bypasskanal 16 dargestellt. In der vierten Zeile ist das Verbrennungs- beziehungsweise Mischungsluftverhältnis im gemeinsamen Abgaskanal 12 stromab der Einmündung 24 des Bypasskanals 16 in den Hauptkanal 14 aufgetragen. Dabei ist die Beladungsphase des NOx-Speicherkatalysators 30 mit „I“ bezeichnet, die Vorkonditionierungsphase mit „I I“, die Regenerationsphase mit „I I I“ und eine darauffolgende weitere Beladungsphase mit „IV“.
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In der Beladungsphase I wird der Verbrennungsmotor 10 mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis von beispielsweise λE = 1,8 betrieben. Durch diesen Magerbetrieb ist eine Kraftstoffersparnis gegenüber einem stöchiometrischen Betrieb des Verbrennungsmotors 10 möglich. Das Verbrennungsluftverhältnis ist in der Beladungsphase im Hauptkanal 14 stromauf des NOx-Speicherkatalysators 30, stromab des NOx-Speicherkatalysators 30 sowie stromab der Einmündung 24 des Bypasskanals 16 in den Hauptkanal 14 konstant.
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In der Vorkonditionierungsphase II wird der Verbrennungsmotor 10 weiterhin mit einem, vorzugsweise unveränderten, überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis von λE = 1,8 betrieben. Durch die zeitgleiche Einleitung des Reformatgases in den Hauptkanal 14 ergibt sich im Hauptkanal 14 vor dem NOx-Speicherkatalysator 30 ein Mischungsluftverhältnis von beispielsweise λM= 1,3. Das Mischungsluftverhältnis λM ist über den NOx-Speicherkatalysator 30 hinweg unverändert, sodass sich im Hauptkanal 14 stromab des NOx-Speicherkatalysators 30 sowie im gemeinsamen Abgaskanal 12 stromab der Einmündung des Bypasskanals 16 ebenfalls ein Mischungsluftverhältnis λM= 1,3 ergibt.
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Während der Regenerationsphase wird der Verbrennungsmotor 10 mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λE = 1 betrieben und das Abgas des Verbrennungsmotors 10 durch den Bypasskanal 16 geleitet. Dadurch stellt sich im Bypasskanal 16 ebenfalls ein Verbrennungsluftverhältnis λB = 1 ein. Im Hauptkanal 14 stellt sich durch den unterstöchiometrisch betriebenen Reformator 38 oder Brenner 42 ein Verbrennungsluftverhältnis von beispielsweise λR= 0,6 ein. Durch die Reduktion des Stickoxide aus dem NOx-Speicherkatalysator 30 stellt sich im Hauptkanal 14 stromab des NOx-Speicherkatalysators 30 ein Luftverhältnis λH = 1 ein. Da sowohl der Abgasstrom durch den Hauptkanal 14 stromab des NOx-Speicherkatalysators 30 als auch der Abgasstrom durch den Bypass ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis aufweisen, stellt sich auch im gemeinsamen Abgaskanal 12 stromab der Einmündung 24 des Bypasskanals 16 in den Hauptkanal 14 ein stöchiometrisches Abgas ein. Das Verbrennungsluftverhältnis in der erneuten Beladungsphase IV entspricht dem Verbrennungsluftverhältnis in der ersten Beladungsphase I.
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In den 4 bis 7 sind alternative Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Bei weitestgehend gleichem Aufbau wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 wird im Folgenden nur auf die jeweiligen Unterschiede eingegangen. Die Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung in 4 unterscheidet sich von der Vorrichtung in 1 darin, dass motornah anstelle eines Drei-Wege-Katalysators 28 ein Drei-Wege-Katalysator 32 mit einer NOx-speicherfähigen Beschichtung angeordnet ist. Dadurch können die Stickoxid-Emissionen nochmals reduziert werden, da der motornahe Drei-Wege-Katalysator 32 mit NOx-speicherfähiger Beschichtung in einer Warmlaufphase schneller seine Betriebstemperatur erreicht und somit zeitlich vor dem NOx-Speicherkatalysator 30 die Fähigkeit hat, effektiv NOx-Emissionen zu speichern. Darüber hinaus bewirken eine Kombination aus einer ersten, motornahen NOx-Speicherkomponente, insbesondere einem Drei-Wege-Katalysator 32 mit NOx-speicherfähigen Beschichtung, und einer zweiten, motorfernen NOx-Speicherkomponente, insbesondere einem NOx-Speicherkatalysator 30 eine Reduzierung der Lachgasbildung (N2O-Bildung) in relevanten Fahrzyklen eines Kraftfahrzeuges.
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In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Bei weitestgehend gleichem Aufbau wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist im Bypasskanal 16 ein zusätzlicher, weiterer Drei-Wege-Katalysator 34 angeordnet. Dadurch kann der motornahe Drei-Wege-Katalysator 28 in der Abgasreinigung unterstützt werden. Somit ist es möglich, den motornahen Drei-Wege-Katalysator 28 entsprechend klein und kompakt auszulegen, um sein Ansprechverhalten in der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors 10 zu verbessern und somit eine nochmals effizientere Abgasreinigung zu ermöglichen.
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In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Bei gleichem Aufbau wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist zusätzlich im gemeinsamen Abgaskanal 12 stromab der Einmündung 24 des Bypasskanals 16 in den Hauptkanal 14 ein Partikelfilter 36 mit einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden angeordnet.
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In 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Bei gleichem Aufbau wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist im Hauptkanal 14 stromab der Einleitung 20 und stromauf des NOx-Speicherkatalysators 30 ein weiterer Drei-Wege-Katalysator 34 angeordnet. Der weitere Drei-Wege-Katalysator 34 ermöglicht eine zusätzliche Abgasreinigung, sodass der motornahe Drei-Wege-Katalysator 28 als kleiner, schnell auf Betriebstemperatur bringbarer Vorkatalysator ausgelegt werden kann und der weitere Drei-Wege-Katalysator 34 die Funktion eines Hauptkatalysators übernimmt. Zudem kann durch den weiteren Drei-Wege-Katalysator 34 eine Abgasreinigung des Reformatgases erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Abgaskanal
- 14
- Hauptkanal
- 16
- Bypasskanal
- 18
- Reformatorkanal
- 20
- Einmündung
- 22
- Verzweigung
- 24
- Einmündung
- 26
- Stellelement
- 28
- Drei-Wege-Katalysator
- 30
- NOx-Speicherkatalysator
- 32
- Drei-Wege-Katalysator mit integriertem NOx-Speicherkatalysator
- 34
- weiterer Drei-Wege-Katalysator
- 36
- Partikelfilter mit SCR-Beschichtung
- 38
- Reformator
- 40
- NOx-Sensor
- 42
- Brenner
- 44
- Lambda-Sonde
- λB
- Verbrennungsluftverhältnis im Bypasskanal
- λE
- Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors
- λH
- Verbrennungs- oder Mischungsluftverhältnis im Hauptkanal
- λM
- Mischungsluftverhältnis aus λE und eingeleitetem Reduktionsmittel
- λR
- Verbrennungsluftverhältnis des Reformators oder Brenners
- NSC
- NOx-Speicherkatalysator
- SCRoF
- Rußpartikelfilter mit selektiv katalytisch wirksamer Beschichtung
- TWC
- Drei-Wege-Katalysator
- TWNSC
- Drei-Wege-Katalysator mit NSC-Beschichtung
