DE102016202349A1 - Method and device for exhaust aftertreatment of an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) mit einem Abgaskanal (12), einem in dem Abgaskanal (12) angeordneten Katalysator (14), einer im Abgaskanal (12) angeordneten, mittels eines Heizelements (16) beheizbaren Lambdasonde (20) sowie mit einem Partikelfilter (18, 26), umfassend folgende Schritte: – Ermittlung eines Beladungszustandes des Partikelfilters (18, 26), – Ermittlung einer Abgastemperatur im Abgaskanal (12) des Verbrennungsmotors (10) durch Messung des Innenwiderstandes RI der ersten Lambdasonde (20), – Ermittlung eines Sauerstoffgehaltes im Abgas durch die erste Lambdasonde (20), – Einleitung einer Regeneration des Partikelfilters (18, 26), wenn ein entsprechender Beladungszustand erreicht ist, die Temperatur (TA) im Abgaskanal (12) und das Verbrennungsluftverhältnis (λE) des Verbrennungsmotors (10) in einem für eine Regeneration des Partikelfilters (18, 26) vordefinierten Bereich liegen, – Vermeidung der Einleitung einer Regeneration durch entsprechende motorische Maßnahmen, wenn die Temperatur (TA) im Abgaskanal (12) und/oder der Sauerstoffgehalt im Abgas oberhalb bestimmter, definierter Grenzen liegen, – Konditionierung des Partikelfilters (18, 26) für eine Regeneration durch Einleitung entsprechender motorischer Maßnahmen, wenn die Temperatur im Abgaskanal (12) unterhalb eines definierten Schwellenwertes liegt. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.The invention relates to a method for treating exhaust gas of an internal combustion engine (10) with an exhaust gas duct (12), a catalytic converter (14) arranged in the exhaust duct (12), a lambda probe (20) arranged in the exhaust duct (12) and heatable by a heating element (16) ) and with a particle filter (18, 26), comprising the following steps: - Determining a loading state of the particulate filter (18, 26), - Determining an exhaust gas temperature in the exhaust passage (12) of the internal combustion engine (10) by measuring the internal resistance RI of the first lambda probe ( 20), - determination of an oxygen content in the exhaust gas by the first lambda probe (20), - initiation of a regeneration of the particulate filter (18, 26), if a corresponding load state is reached, the temperature (TA) in the exhaust duct (12) and the combustion air ratio ( λE) of the internal combustion engine (10) in a for a regeneration of the particulate filter (18, 26) predefined range, - avoiding the Einleitu ng a regeneration by appropriate engine measures, if the temperature (TA) in the exhaust passage (12) and / or the oxygen content in the exhaust gas above certain defined limits, - conditioning of the particulate filter (18, 26) for regeneration by introducing appropriate engine measures when the temperature in the exhaust duct (12) is below a defined threshold. The invention further relates to a device for carrying out such a method.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche. The invention relates to a method and a device for exhaust aftertreatment of an internal combustion engine according to the preambles of the independent claims.
Die kontinuierliche Verschärfung der Abgasgesetzgebung stellt hohe Anforderungen an die Fahrzeughersteller, welche durch entsprechende Maßnahmen zur Reduktion der motorischen Rohemissionen und durch eine entsprechende Abgasnachbehandlung gelöst werden. Mit Einführung der nächsten Gesetzgebungsstufe EU6 wird für Ottomotoren ein Grenzwert für eine Partikelanzahl vorgeschrieben. Dies kann dazu führen, dass bei einigen Modellen der Einsatz eines Ottopartikelfilters nötig sein kann. 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 (λE = 1) betrieben werden, sind dazu zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Dazu kommen als Maßnahmen beispielsweise eine Temperaturerhöhung durch eine Zündwinkelverstellung, eine zeitweise Magerverstellung des Ottomotors, das Einblasen von Sekundärluft in die Abgasanlage oder eine Kombination dieser Maßnahmen in Frage. Die Regeneration eines Partikelfilters ist beispielsweise aus der
Zur Lambdaregelung des Verbrennungsmotors werden Lambdasonden eingesetzt, welche zur Erhöhung der Messgenauigkeit mittels eines Heizelements beheizt werden können, um die Lambdasonde auf eine vordefiniert Temperatur zu bringen. Eine solche Temperaturregelung einer Lambdasonde kann beispielsweise mittels eines Temperatursensors im Abgaskanal erfolgen. Ein solcher Temperatursensor ist jedoch als zusätzliches Bauteil mit Mehrkosten verbunden. Daher wurden bereits in der Vergangenheit Lösungen vorgeschlagen, bei denen die Abgastemperatur aus einem Widerstand beziehungsweise einer Widerstandsänderung der Lambdasonde ermittelt wird. For lambda control of the internal combustion engine lambda probes are used, which can be heated to increase the measurement accuracy by means of a heating element to bring the lambda probe to a predefined temperature. Such a temperature control of a lambda probe can be done for example by means of a temperature sensor in the exhaust duct. However, such a temperature sensor is connected as an additional component with additional costs. Therefore, solutions have already been proposed in the past in which the exhaust gas temperature is determined from a resistance or a change in resistance of the lambda probe.
Aus der
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine erleichterte Regeneration des Partikelfilters zu ermöglichen und Bauteilbeschädigungen von Komponenten zur Abgasnachbehandlung, insbesondere Beschädigungen des Partikelfilters, zu vermeiden. The invention is based on the object to facilitate a facilitated regeneration of the particulate filter and component damage of components for exhaust aftertreatment, in particular damage to the particulate filter to avoid.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem Abgaskanal, einem in dem Abgaskanal angeordneten Katalysator, einer im Abgaskanal angeordneten, mittels eines Heizelements beheizbaren Lambdasonde sowie mit einem Partikelfilter gelöst, welches folgende Schritte umfasst:
- – Ermittlung eines Beladungszustandes des Partikelfilters,
- – Ermittlung einer Abgastemperatur im Abgaskanal des Verbrennungsmotors durch eine Messung des Innenwiderstandes der Lambdasonde,
- – Ermittlung eines Sauerstoffgehaltes im Abgas durch die Lambdasonde,
- – Einleitung einer Regeneration des Partikelfilters, wenn ein entsprechender Beladungszustand erreicht ist, die Temperatur im Abgaskanal und das Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors in einem für eine Regeneration des Partikelfilters vordefinierten Bereich liegen,
- – Vermeidung der Einleitung einer Regeneration durch entsprechende motorische Maßnahmen, wenn die Temperatur im Abgaskanal und/oder der Sauerstoffgehalt im Abgas oberhalb bestimmter, definierter Grenzen liegen,
- – Konditionierung des Partikelfilters für eine Regeneration durch Einleitung entsprechender motorischer Maßnahmen, wenn die Temperatur im Abgaskanal unterhalb eines definierten Schwellenwertes liegt.
- Determination of a loading state of the particulate filter,
- Determining an exhaust gas temperature in the exhaust passage of the internal combustion engine by measuring the internal resistance of the lambda probe,
- Determination of an oxygen content in the exhaust gas by the lambda probe,
- Initiation of a regeneration of the particulate filter, when a corresponding loading state is reached, the temperature in the exhaust passage and the combustion air ratio of the internal combustion engine are in a predefined for a regeneration of the particulate filter area,
- Avoiding the initiation of regeneration by means of corresponding engine measures, when the temperature in the exhaust gas channel and / or the oxygen content in the exhaust gas are above defined limits,
- - Conditioning of the particulate filter for regeneration by introducing appropriate engine measures when the temperature in the exhaust duct is below a defined threshold.
Dadurch kann auf vorteilhafte Weise eine kombinierte Messung des Sauerstoffgehaltes im Abgaskanal sowie der Abgastemperatur erfolgen, sodass mittels eines Bauteils beide Parameter ermittelt werden. Dadurch kann die Zuverlässigkeit der Messung verbessert werden und damit das Verfahren zur Regeneration des Partikelfilters einfacher eingeleitet werden. Zudem ist durch die parallele Messung von Sauerstoffgehalt und Temperatur eine erhöhter Bauteilschutz von Komponenten in dem Abgaskanal des Verbrennungsmotors gegeben, da ungünstige Betriebsbedingungen, die zu einem unkontrollierten Anstieg der Abgastemperatur führen können, erkannt werden. Dabei kann ein zusätzlicher Temperatursensor im Abgaskanal entfallen, was die Kosten senkt. This can advantageously a combined measurement of the oxygen content in Exhaust duct and the exhaust gas temperature made so that both parameters are determined by means of a component. Thereby, the reliability of the measurement can be improved and thus the process for the regeneration of the particulate filter can be initiated more easily. In addition, by the parallel measurement of oxygen content and temperature increased component protection of components in the exhaust passage of the internal combustion engine is given because unfavorable operating conditions that can lead to an uncontrolled increase in exhaust gas temperature can be detected. In this case, an additional temperature sensor omitted in the exhaust duct, which reduces the cost.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass bei einer Temperatur oberhalb eines Schwellenwertes im Abgaskanal ein Schubbetrieb des Verbrennungsmotors unterbunden wird. Dadurch wird verhindert, dass durch die Zylinder des Verbrennungsmotors Frischluft in den Abgaskanal gepumpt wird und somit hinreichend viel Sauerstoff zur Verfügung steht, um zu einem unkontrollierten Abbrand des Rußes auf dem Partikelfilter zu führen. Auf diese Weise kann ein unerwünschter Sauerstoffüberschuss im Abgaskanal vermieden werden, der einen unkontrollierten Rußabbrand begünstigt. According to a preferred embodiment of the method, it is provided that, at a temperature above a threshold value in the exhaust gas duct, a coasting operation of the internal combustion engine is prevented. This prevents fresh air from being pumped through the cylinders of the internal combustion engine into the exhaust gas duct and thus sufficient oxygen being available to lead to an uncontrolled burnup of the soot on the particulate filter. In this way, an undesirable excess of oxygen in the exhaust duct can be avoided, which favors an uncontrolled Rußabbrand.
In bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass bei einer zu hohen Temperatur im Abgaskanal der Zündwinkel des Verbrennungsmotors in Richtung „früh“ verstellt wird. Durch eine Verstellung des Zündwinkels in Richtung „früh“ kann die Verbrennung des Kraftstoffes früher beginnen und ist im Wesentlichen abgeschlossen, wenn die Auslassventile öffnen. Dadurch sinkt die Temperatur im Abgaskanal der Brennkraftmaschine, wodurch die Temperatur wieder in den für eine Regeneration des Partikelfilters günstigen Bereich absinken kann und eine thermische Beschädigung des Partikelfilters vermieden wird. In a preferred embodiment of the method according to the invention, it is provided that, when the temperature in the exhaust gas duct is too high, the ignition angle of the internal combustion engine is adjusted in the "early" direction. By adjusting the firing angle in the "early" direction, combustion of the fuel may begin earlier and is substantially complete when the exhaust valves open. As a result, the temperature in the exhaust passage of the internal combustion engine decreases, whereby the temperature can drop back into the favorable for a regeneration of the particulate filter area and thermal damage to the particulate filter is avoided.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Anhebung der Abgastemperatur durch eine Verstellung des Zündwinkels des Verbrennungsmotors in Richtung spät erfolgt. Durch eine Verstellung des Zündwinkels in Richtung „spät“ startet die Verbrennung später und ist bei Öffnen der Auslassventile noch nicht abgeschlossen, sodass sich die Temperatur im Abgaskanal erhöht. According to an alternative embodiment of the method according to the invention, it is provided that an increase in the exhaust gas temperature takes place by an adjustment of the ignition angle of the internal combustion engine in the direction of late. By adjusting the ignition angle in the direction of "late" the combustion starts later and is not completed when the exhaust valves are opened, so that the temperature increases in the exhaust duct.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass während der Regeneration des Partikelfilters das Heizelement der Lambdasonde deaktiviert wird. Dadurch ist eine vereinfachte Messung des Innenwiderstandes der Lambdasonde und darauf basierend eine Berechnung der Abgastemperatur während der Regeneration des Partikelfilters möglich. According to a preferred further development of the method, it is provided that the heating element of the lambda probe is deactivated during the regeneration of the particulate filter. Thereby, a simplified measurement of the internal resistance of the lambda probe and based on a calculation of the exhaust gas temperature during the regeneration of the particulate filter is possible.
Für eine effiziente Regeneration des Partikelfilters ohne die Gefahr einer thermischen Bauteilschädigung ist es vorteilhaft, wenn die Regeneration des Partikelfilters in einem Temperaturbereich zwischen 600°C und 700°C sowie bei einem Verbrennungsluftverhältnis λE des Verbrennungsmotors zwischen 1,1 und 1,3 erfolgt. Um eine effiziente Oxidation des im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußes und somit eine Regeneration des Partikelfilters zu ermöglichen, sollte die Temperatur am Eintritt in den Partikelfilter bei mindestens 600°C liegen, um eine signifikante Umsatzgeschwindigkeit des Rußes zu erreichen. Ferner sollte diese Oxidation bei einem leichten Sauerstoffüberschuss im Abgaskanal erfolgen, um zum einen genügend Sauerstoff für die Oxidation der Rußpartikel bereitzustellen, jedoch einen hohen Sauerstoffüberschuss und somit die Gefahr eines unkontrollierten Rußabbrandes zu vermeiden. For efficient regeneration of the particulate filter without the risk of thermal component damage, it is advantageous if the regeneration of the particulate filter takes place in a temperature range between 600 ° C. and 700 ° C. and at a combustion air ratio λ E of the internal combustion engine between 1.1 and 1.3. In order to enable efficient oxidation of the soot retained in the particle filter and thus regeneration of the particle filter, the temperature at the inlet to the particle filter should be at least 600 ° C. in order to achieve a significant rate of carbon black turnover. Furthermore, this oxidation should be carried out with a slight excess of oxygen in the exhaust gas channel in order to provide sufficient oxygen for the oxidation of the soot particles, but to avoid a high excess of oxygen and thus the risk of uncontrolled Rußabbrandes.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen, welche einen Abgaskanal, einen im Abgaskanal angeordneten Katalysator, einen im Abgaskanal angeordneten Partikelfilter sowie ein Steuergerät umfasst, wobei in Strömungsrichtung des Abgases stromab des Katalysators und stromauf des Partikelfilters eine erste Lambdasonde angeordnet ist, wobei mittels der ersten Lambdasonde ein Sauerstoffgehalt im Abgas messbar ist, wobei die erste Lambdasonde über ein Heizelement beheizbar ist, wobei mittels eines Innenwiderstands der ersten Lambdasonde eine Temperatur im Abgaskanal, vorzugsweise unmittelbar vor Eintritt in den Partikelfilter, bestimmt werden kann, und wobei anhand dieser Informationen eine Regeneration des Partikelfilters unterbunden werden kann, um einen unkontrollierten Rußabbrand auf dem Partikelfilter zu unterbinden. According to the invention, a device for exhaust aftertreatment of an internal combustion engine is proposed, which comprises an exhaust duct, a catalyst arranged in the exhaust duct, a particulate filter arranged in the exhaust duct and a control device, wherein in the flow direction of the exhaust gas downstream of the catalyst and upstream of the particulate filter, a first lambda sensor is arranged, by means the first lambda probe, an oxygen content in the exhaust gas is measured, wherein the first lambda probe is heated via a heating element, wherein by means of an internal resistance of the first lambda probe, a temperature in the exhaust duct, preferably immediately before entering the particulate filter, can be determined, and based on this information a Regeneration of the particulate filter can be prevented to prevent uncontrolled Rußabbrand on the particulate filter.
In bevorzugter Ausführung sind in dem Abgaskanal ein erster Katalysator, vorzugsweise ein motornaher Vorkatalysator und ein zweiter Katalysator angeordnet, wobei der zweite Katalysator als sogenannter Vier-Wege-Katalysator, also als Drei-Wege-Katalysator mit zusätzlicher Partikelfilterfunktion, insbesondere als Partikelfilter mit drei-Wege-wirksamer katalytischer Beschichtung ausgebildet ist. In bevorzugter Ausführung sind stromauf des ersten Katalysators eine zweite Lambdasonde, insbesondere eine Breitband-Lambdasonde und stromauf des Vier-Wege-Katalysators eine erste Lambdasonde angeordnet, wobei die erste Lambdasonde als Sprungsonde ausgebildet ist. Zumindest die erste Lambdasonde ist beheizbar. Ein Partikelfilter mit drei-Wege-wirksamer katalytische Beschichtung ist gegenüber einem unbeschichteten Partikelfilter bei einer Regeneration thermisch nochmals stärker belastet, da sich hier die exotherme Reaktion des Rußabbrands und die exothermen katalytischen Reaktion des Drei-Wege-Katalysators überlagern. Daher ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zu Abgasnachbehandlung besonders bevorzugt bei Abgassystemen mit Vier-Wege-Katalysator vorgesehen. In a preferred embodiment, a first catalyst, preferably a close-coupled primary catalyst and a second catalyst are arranged in the exhaust passage, the second catalyst as a so-called four-way catalyst, ie as a three-way catalyst with additional particulate filter function, especially as a particulate filter with three Path-effective catalytic coating is formed. In a preferred embodiment, upstream of the first catalytic converter, a second lambda probe, in particular a broadband lambda probe, and upstream of the four-way catalytic converter, a first lambda probe are arranged, the first lambda probe being designed as a jump probe. At least the first lambda probe is heatable. A particle filter with three-way effective catalytic coating is compared with an uncoated particulate filter in a regeneration thermally more stressed, since here the Exothermic reaction of Rußabbrands and superimpose the exothermic catalytic reaction of the three-way catalyst. Therefore, the inventive device for exhaust aftertreatment is particularly preferably provided in exhaust systems with four-way catalyst.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Katalysator einen Vorkatalysator und einen Hauptkatalysator umfasst, wobei die Lambdasonde stromab des Vorkatalysators beziehungsweise stromauf des Nachkatalysators angeordnet ist. Durch eine Anordnung der Lambdasonde zwischen Vorkatalysator und Nachkatalysator dient die Lambdasonde zur Justierung einer Gesamt-Lamdaregelung im Abgaskanal. Der Nachkatalysator ist ein sogenannter Vier-Wege-Katalysator und dient neben der Konvertierung gasförmiger Schadstoffen auch zur Filtrierung von festen Schadstoffen. According to a preferred embodiment, it is provided that the catalyst comprises a precatalyst and a main catalyst, wherein the lambda probe is arranged downstream of the precatalyst or upstream of the postcatalyst. By arranging the lambda probe between the precatalyst and the postcatalyst, the lambda probe serves to adjust an overall lambda control in the exhaust gas duct. The post-catalyst is a so-called four-way catalyst and is used in addition to the conversion of gaseous pollutants for the filtration of solid pollutants.
Vorzugsweise ist der Partikelfilter in einer Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges angeordnet. In einer Unterbodenlage ist eine motorferne Anordnung des Partikelfilters möglich, sodass der Partikelfilter thermisch weniger stark belastet ist. Zudem ist durch eine Unterbodenlage eine gegenüber einem Einbau im Motorraum verbesserte radiative und konvektive Wärmeabfuhr am Partikelfilter möglich. Unter einer motorfernen Anordnung wird in diesem Zusammenhang eine Anordnung mindestens 80 cm, vorzugsweise mindestens 100 cm, stromab eines Auslasses des Verbrennungsmotors verstanden. Durch eine verbesserte Wärmeabfuhr am Partikelfilter kann die Gefahr einer thermischen Schädigung, insbesondere bei einer Regeneration des Partikelfilters, reduziert werden. Preferably, the particulate filter is arranged in a bottom layer of a motor vehicle. In a subfloor position, a remote engine arrangement of the particulate filter is possible, so that the particulate filter is thermally less heavily loaded. In addition, an underfloor layer makes it possible to achieve radiative and convective heat removal at the particle filter in comparison to installation in the engine compartment. An arrangement remote from the engine in this context means an arrangement at least 80 cm, preferably at least 100 cm, downstream of an outlet of the internal combustion engine. Improved heat dissipation at the particle filter can reduce the risk of thermal damage, in particular during regeneration of the particle filter.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar. The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen: The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
Temperaturmessungen im Abgaskanal
In Abgassystemen mit zwei Katalysatoren
Im Betrieb des Verbrennungsmotors
Durch die Verwendung einer ersten Lambdasonde
Dabei ist der Innenwiderstand der ersten Lambdasonde
Im Falle einer Regenerationsanforderung des Partikelfilters
Zur Regeneration des Partikelfilters
Dabei liefern die Lambdasonden
In
In einem ersten Verfahrensschritt <
Abhängig von den Messwerten der Verfahrensschritte <
Liegt die Temperatur TA im Abgaskanal
Liegt die Temperatur im Abgaskanal
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 10 10
- Verbrennungsmotor internal combustion engine
- 12 12
- Abgaskanal exhaust duct
- 14 14
- Katalysator catalyst
- 16 16
- Heizelement heating element
- 18 18
- Partikelfilter particulate Filter
- 20 20
- erste Lambdasonde (vor Partikelfilter) first lambda probe (before particle filter)
- 22 22
- Steuergerät control unit
- 24 24
- Vorkatalysator precatalyzer
- 26 26
- Partikelfilter mit integriertem Nachkatalysator Particulate filter with integrated aftercatalyst
- 28 28
- Nachkatalysator post-catalytic converter
- 30 30
- zweite Lambdasonde (vor Vorkatalysator) second lambda probe (pre-catalyst)
- λE λ E
- Verbrennungsluftverhältnis Combustion air ratio
- TA T A
- Abgastemperatur exhaust gas temperature
- TSO SO
- oberer Schwellenwert upper threshold
- TSU T SU
- unterer Schwellenwert lower threshold
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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