DE102016205182A1

DE102016205182A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102016205182A1
Application number: DE102016205182.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan PAUKNER; Falk-Christian Baron von Ceumern-Lindenstjerna; André Horn; Asmus CARSTENSEN
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-03-30
Filing date: 2016-03-30
Publication date: 2017-10-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines selbstzündenden Verbrennungsmotors, welcher in einem Normalbetrieb mit einem überstöchiometrischen (mageren) Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird. Dabei wird das Abgas in einem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors durch einen Oxidationskatalysator oder einen katalytisch beschichteten Partikelfilter sowie durch einen stromab des Oxidationskatalysators oder des katalytisch beschichteten Partikelfilters angeordneten NOx-Speicherkatalysator geleitet, wobei die im Abgas enthaltenen NOx-Emissionen als Nitrate auf dem NOx-Speicherkatalysator eingelagert werden. Es ist vorgesehen, dass zur Regeneration des NOx-Speicherkatalysators das Abgas des Verbrennungsmotors durch einen Bypass an dem NOx-Speicherkatalysator vorbei geleitet wird, und der NOx-Speicherkatalysator mit einem Reduktionsmittel aus einem Brenner oder Reformator beaufschlagt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors. Die aktuelle und die zukünftige Abgasgesetzgebung stellt 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 insbesondere bei Dieselmotoren zu einem Zielkonflikt, denn neben der Minderung der CO2-Emissionen sind die Motorenentwickler angehalten, die Stickoxid-Emissionen sowie die Rußemissionen des Verbrennungsmotors möglichst gering zu halten.
Die Abgasnachbehandlung von Dieselmotoren umfasst im Allgemeinen drei Elemente. Ein erstes Element, um unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid zu oxidieren, ein zweites Element, um die Rußpartikel aus dem Abgas des Dieselmotors herauszufiltern und ein weiteres Element, um die Stickoxid-Emissionen zu reduzieren. Zur Reduzierung der Partikelemission werden Partikelfilter eingesetzt, welche mit Rußpartikeln beladen und periodisch regeneriert werden. Zur Reduzierung von Kohlenwasserstoff-Emissionen (HC) und Kohlenmonoxid-Emissionen (CO) sind Oxidationskatalysatoren oder katalytisch wirksame Beschichtungen auf Bauteilen der Abgasnachbehandlung bekannt. Zur Stickoxidreduktion sind sowohl NOx-Speicherkatalysatoren, in denen NOx-Emissionen in Form von Nitraten eingespeichert werden, als auch Katalysatoren zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysatoren) bekannt.
Der Einsatz von SCR-Katalysatoren erfordert das Mitführen und die Eindosierung von wässriger Harnstofflösung als zusätzlichen Betriebsstoff des Kraftfahrzeuges. Aus der wässrigen Harnstofflösung wird in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors das Reduktionsmittel Ammoniak (NH3) erzeugt, mit dessen Hilfe Stickoxide kontinuierlich auf dem SCR-Katalysator zu Stickstoff reduziert werden.
Im Gegensatz zum SCR-Katalysator erfolgt die Stickoxidminderung an einem NOx-Speicherkatalysator diskontinuierlich. In einer ersten Betriebsphase des Verbrennungsmotors werden die Stickoxide in sauerstoffreicher Atmosphäre in Form von Nitraten am NOx-Speicherkatalysator chemisch adsorbiert. Mit anhaltender Stickoxidzufuhr ist die Speicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators in Abhängigkeit von der Katalysatorgröße nach einem bestimmten Zeitraum erschöpft. Zur Regeneration des NOx-Speicherkatalysators werden die eingelagerten Stickoxide in einer zweiten Betriebsphase des Verbrennungsmotors mithilfe einer reduzierenden Atmosphäre vorzugsweise zu Stickstoff umgewandelt.
Aus der DE 10 2010 014 468 B4 ist ein Verbrennungsmotor mit einem Abgaskanal bekannt, in dem ein motornaher Drei-Wege-Katalysator und ein stromab des Drei-Wege-Katalysators angeordneter NOx-Speicherkatalysator verbaut sind, wobei im Abgaskanal ein Bypass vorgesehen ist, mit welchem der NOx-Speicherkatalysator passiert werden kann.
Aus der DE 10 2014 206 455 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit einem Abgaskanal bekannt, wobei im Abgaskanal ein motornaher Drei-Wege-Katalysator, stromab des Drei-Wege-Katalysators ein NOx-Speicherkatalysator und weiter stromab ein zweiter NOx-Speicherkatalysator angeordnet ist. Zudem ist aus der DE 10 2014 206 455 A1 ein Verfahren zur Regeneration eines Abgasnachbehandlungssystems bekannt, bei dem in einem mageren Abgas Stickoxide eingespeichert werden und periodisch in einem fetten Abgas Stickoxide zu Stickstoff reduziert werden.
Aus dem Stand der Technik sind parallel oder in Reihe geschaltete NOx-Speicherkatalysatoren bekannt. Die Regeneration erfolgt jedoch meist durch einen Motorbetrieb mit einem unterstöchiometrischen Betrieb, was bei einem Dieselmotor jedoch nicht in jedem Betriebspunkt möglich ist. Daher sind die bekannten Verfahren nur bedingt geeignet, um einen NOx-Speicherkatalysator in einem Abgaskanal eines Dieselmotors, welcher im Wesentlichen mit Luftüberschuss betrieben wird, zu regenerieren.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators im Abgaskanal eines Dieselmotors quasi unabhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, welches folgende Schritte umfasst:

– Betreiben des Verbrennungsmotors mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis,
– Durchleiten des Abgases des mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betriebenen Verbrennungsmotors durch ein im Abgaskanal des Verbrennungsmotors angeordnetes erstes, oxidativ wirksames Element zur Abgasnachbehandlung,
– anschließendes Durchleiten des Abgases durch eine Verzweigung des Abgaskanals, wobei
– an der Verzweigung ein Stellelement angeordnet ist, mit dem der Abgasstrom des Verbrennungsmotors entweder durch einen Hauptkanal oder einen Bypass des Abgaskanals geleitet wird, wobei das Abgas in einer ersten Stellung des Stellelements durch den Hauptkanal geleitet wird und die im Abgas enthaltenen NOx-Emissionen in einem im Hauptkanal angeordneten NOx-Speicherkatalysator eingespeichert werden,
– Leiten des Abgases über einen im Abgaskanal angeordneten Partikelfilter,
– Regeneration des NOx-Speicherkatalysators, wobei das Abgas des Verbrennungsmotors durch den Bypass geleitet wird und ein Reduktionsmittel durch eine Einmündung in den Hauptkanal stromauf des NOx-Speicherkatalysators eingeleitet wird.

Unter einem oxidativ wirksamen Element ist in diesem Zusammenhang eine Komponente der Abgasnachbehandlung zu verstehen, welche rein oxidativ wirkt, jedoch keine Reduktion, insbesondere keine Reduktion von Stickoxiden, ermöglicht, beispielsweise ein Diesel-Oxidationskatalysator oder ein Diesel-Partikelfilter mit einer oxidativ wirksamen, katalytischen Beschichtung. Durch die Entkoppelung des NOx-Speicherkatalysators vom Abgasstrom während der Regeneration ist eine Regeneration des NOx-Speicherkatalysators unabhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors möglich. Zudem kann eine deutlich niedrigere Raumgeschwindigkeit im NOx-Speicherkatalysator während der Regeneration 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. Sofern die Regeneration des NOx-Speicherkatalysators bei einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors möglich ist, können die schädlichen Abgaskomponenten vollständig durch einen im Bypass angeordneten Drei-Wege-Katalysator gereinigt werden, sodass es während der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators nicht zu einem Anstieg der Emissionen kommt.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors dargestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise für einen selbstzündenden Verbrennungsmotor, besonders bevorzugt für einen nach dem Diesel-Prinzip arbeitenden, selbstzündenden Verbrennungsmotor, vorgesehen. Ein Diesel-Motor wird prinzipbedingt in fast allen Betriebspunkten mit einem Sauerstoff-Überschuss betrieben, da ein Anfetten des Verbrennungsgemischs meist mit einem unerwünschten Anstieg der Rußemissionen verbunden ist.
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 im Bypass angeordneten Drei-Wege-Katalysator möglich, sodass während der Regeneration eine optimale Konvertierung der schädlichen Abgaskomponenten durch den Drei-Wege-Katalysator erfolgt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass zwischen der Beladung und der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators ein weiterer Verfahrensschritt vorgesehen ist, in dem der NOx-Speicherkatalysator vorkonditioniert wird. Durch eine Vorkonditionierung kann eine verbesserte und effizientere Regeneration des NOx-Speicherkatalysators erreicht werden.
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.
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.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist 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 anschließen 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.
Als Reduktionsmittel wird vorzugsweise ein Reformatgas/Produktgas eines Kraftstoffreformers oder eines unterstöchiometrisch mit Kraftstoff betriebenen Brenners verwendet. Die Kraftstoffreformierung mit Luft oder Abgas 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 (H₂) enthält. Unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid oder molekularer Wasserstoff sind geeignete Reduktionsmittel, um die Stickoxidemissionen beim Abbau der Nitrate in unschädlichen, molekularen Stickstoff (N₂) zu reduzieren.
Gemäß einer bevorzugten Variante des Verfahrens erfolgt die Beladung des NOx-Speicherkatalysators bei einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ_E des Verbrennungsmotors von λ_E > 1,5 und die Vorkonditionierung des NOx-Speicherkatalysators bei einem überstöchiometrischen Mischungsluftverhältnis λ_M mit geringerem Luftüberschuss in einem Bereich von λ_H zwischen 1,2 und 1,6. Dadurch kann der Verbrennungsmotor während der Beladung und während der Vorkonditionierung mit einem hohen Luftüberschuss betrieben werden und es wird in der Vorkonditionierungsphase hinreichend viel Reformatgas eingeleitet, um ein Vorkonditionierung auf den gewünschten Temperaturbereich zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß ist ferner eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines selbstzündenden Verbrennungsmotors, mit einem Abgaskanal, einem im Abgaskanal angeordneten oxidativ wirksamen Element zur Abgasnachbehandlung, einer im Abgaskanal stromab des oxidativ wirksamen Elements zur Abgasnachbehandlung angeordneten Verzweigung, an der sich der Abgaskanal in einen Hauptkanal und einen Bypass verzweigt, einem an der Verzweigung angeordnetem Stellelement, mit welchem ein Abgasstrom wahlweise durch den Hauptkanal oder den Bypass geleitet werden kann, sowie einem im Hauptkanal angeordneten NOx-Speicherkatalysator vorgesehen, wobei im Bypass ein Drei-Wege-Katalysator angeordnet ist, 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, und wobei ein Steuergerät vorgesehen ist, welches eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Durch eine entsprechende Vorrichtung kann auf einfache Weise eine Regeneration des NOx-Speicherkatalysators quasi unabhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors 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 eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors;
3 ein Ablaufschema zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors; und
4 ein Ablaufschema des jeweiligen Verbrennungsluftverhältnisses λ_H, λ_B beziehungsweise Mischungsluftverhältnisses λ_M bei einer Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt einen selbstzündenden Verbrennungsmotor 10 mit einem Abgaskanal 12. Der Verbrennungsmotor 10 arbeitet vorzugsweise nach dem Diesel-Prinzip. Der Verbrennungsmotor 10 kann sowohl als aufgeladener Verbrennungsmotor 10 als auch als Saugmotor ausgeführt sein. Im Abgaskanal 12 ist, vorzugsweise motornah, ein oxidativ wirksames Element 14 zur Abgasreinigung, insbesondere ein katalytisch beschichteter Partikelfilter 24, 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 der oxidativ wirksamen Beschichtung des Partikelfilters 24 nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 erreicht. Stromabwärts des katalytisch beschichteten Partikelfilters 24 verzweigt sich der Abgaskanal 12 an einer Verzweigung 26 in einen Hauptkanal 30 und einen Bypass 32. An der Verzweigung 26 ist ein Stellelement 34, vorzugsweise eine Abgasklappe, angeordnet, mit welcher der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 wahlweise durch den Hauptkanal 30 oder durch den Bypass 32 geleitet werden kann. An dem Stellelement 34 ist ein Antriebselement 36, vorzugsweise ein Elektromotor, vorgesehen, mit welchem das Stellelement 34 bewegt wird. Alternativ kann das Stellelement 34 auch als Schieber ausgebildet sein. Ebenfalls alternativ kann die Betätigung des Stellelements 34 auch pneumatisch oder hydraulisch erfolgen. In dem Hauptkanal 30 ist, vorzugsweise in einer Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges, ein NOx-Speicherkatalysator 16 angeordnet. Stromab der Verzweigung 26 und stromauf des NOx-Speicherkatalysators 16 mündet ein Reformatorkanal 48, welcher einen Reformator 40 oder einen Brenner 42 mit dem Hauptkanal 30 verbindet, an einer Einmündung 50 in den Hauptkanal 30. Stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators 16 ist im Hauptkanal 14 ein NOx-Sensor 52 vorgesehen. Stromab des NOx-Speicherkatalysators 16 werden der Hauptkanal 30 und der Bypass 32 an einer Einmündung 28 wieder zu einem gemeinsamen Abgaskanal 12 zusammengeführt. Im Bypass 32 ist ein Drei-Wege-Katalysator 18 angeordnet. Ferner ist ein Steuergerät 38 vorgesehen, mit welchem das Stellelement 34 beziehungsweise das Antriebselement 36 angesteuert werden können. Das Antriebselement 36 sowie der NOx-Sensor 52 sind über Signalleitungen 44 mit dem Steuergerät 38 verbunden. Ferner ist das Steuergerät 38 über mindestens eine Signalleitung 44 mit dem Verbrennungsmotor 10 verbunden, um insbesondere die Einspritzmenge sowie den Zeitpunkt der Einspritzung in die Brennräume des Verbrennungsmotors 10 zu steuern. Stromauf und stromab des katalytisch beschichteten Partikelfilters 24 sind Drucksensoren 46 vorgesehen, wobei bei einem Überschreiten eines definierten Schwellenwertes für einen Differenzdruck über den katalytisch beschichteten Partikelfilter 24 eine Regeneration des Partikelfilters 24 eingeleitet wird. Alternativ kann die Regeneration des Partikelfilters 24 auch über ein in dem Steuergerät 38 abgelegtes Bilanzierungsmodell erfolgen.
In 2 ist eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung dargestellt. Im Abgaskanal 12 ist, vorzugsweise motornah, ein oxidativ wirksames Element 14 zur Abgasreinigung, insbesondere ein Diesel-Oxidationskatalysator 20, 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 Diesel-Oxidationskatalysators 20 nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 erreicht. Stromabwärts des Diesel-Oxidationskatalysators 20 verzweigt sich der Abgaskanal 12 an einer Verzweigung 26 in einen Hauptkanal 30 und einen Bypass 32. An der Verzweigung 26 ist ein Stellelement 34, vorzugsweise eine Abgasklappe, angeordnet, mit welcher der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 wahlweise durch den Hauptkanal 30 oder durch den Bypass 32 geleitet werden kann. An dem Stellelement 34 ist ein Antriebselement 36, vorzugsweise ein Elektromotor, vorgesehen, mit welchem das Stellelement 34 bewegt wird. Alternativ kann das Stellelement 34 auch als Schieber ausgebildet sein. In dem Hauptkanal 30 ist, vorzugsweise in einer Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges, ein NOx-Speicherkatalysator 16 angeordnet. Stromab der Verzweigung 26 und stromauf des NOx-Speicherkatalysators 16 mündet ein Reformatorkanal 48, welcher einen Reformator 40 oder einen Brenner 42 mit dem Hauptkanal 30 verbindet, an einer Einmündung 50 in den Hauptkanal 30. Stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators 16 ist im Hauptkanal 14 ein NOx-Sensor 52 vorgesehen. Stromab des NOx-Speicherkatalysators 16 werden der Hauptkanal 30 und der Bypass 32 an einer Einmündung 28 wieder zu einem gemeinsamen Abgaskanal 12 zusammengeführt. Im Bypass 32 ist ein Drei-Wege-Katalysator 18 angeordnet. Stromabwärts der Einmündung 50 des Bypasses 32 in den Hauptkanal 30 ist ein Partikelfilter 22, insbesondere ein Partikelfilter 24 mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung 24 vorgesehen. Ein Partikelfilter 24 mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung hat den Vorteil, dass Reduktionsmittel aus dem Reformator 40 oder aus dem Brenner 42, insbesondere unverbrannte Kohlenwasserstoffe, welche am Ende einer Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 16 durch den NOx-Speicherkatalysator 16 durchbrechen, oxidiert und in Kohlendioxid konvertiert werden können. Ferner ist ein Steuergerät 38 vorgesehen, mit welchem das Stellelement 34 beziehungsweise das Antriebselement 36 angesteuert werden können. Das Antriebselement 36 sowie der NOx-Sensor 52 sind über Signalleitungen 44 mit dem Steuergerät 38 verbunden.
In 3 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 Diesel-typischen, überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ_E > 1 betrieben. Das Stellelement 34 ist in dieser Beladungsphase so gestellt, dass der gesamte Abgasstrom durch den Hauptkanal 30 des Abgaskanals 12 geleitet wird. In der Beladungsphase erfolgt eine Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und von Kohlenmonoxid (CO) auf dem katalytisch beschichteten Partikelfilter 24. Die im überstöchiometrischen Betrieb des Verbrennungsmotors 10 entstehenden NOx-Konzentrationen können nicht durch den katalytisch beschichteten Partikelfilter 24 oder durch den Diesel-Oxidationskatalysator 20 reduziert werden. Daher werden diese Stickoxide in der Beladungsphase im NOx-Speicherkatalysator 16 in Form von Nitraten eingespeichert. Der NOx-Speicherkatalysator 16 hat nur eine begrenzte Speicherkapazität. Infolge dessen muss der NOx-Speicherkatalysator periodisch regeneriert werden.
Ist die Beladungsgrenze des NOx-Speicherkatalysators 16 erreicht, was beispielsweise über einen Anstieg der Stickoxide am NOx-Sensor 52 stromab des NOx-Speicherkatalysators 16 oder durch ein in dem Steuergerät 38 des Verbrennungsmotors 10 abgelegtes Bilanzierungsmodell ermittelt werden kann, wird eine Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 16 eingeleitet. Für eine optimale Umsetzung des eingespeicherten Nitrats im NOx-Speicherkatalysator 16 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 30 am NOx-Speicherkatalysator 16 zum Zeitpunkt einer gewünschten Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 16 unterhalb dieses Temperaturfensters, kann optional in einer Vorkonditionierungsphase die Temperatur im Hauptkanal 30 stromauf des NOx-Speicherkatalysators 16 angehoben werden, indem ein Reformatgas über die Einmündung 28 in den Hauptkanal 30 eingeleitet wird. Da der Reformator 40 oder der Brenner 42 mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ_R < 1 betrieben werden, stellt sich ein Mischungsluftverhältnis λ_H im Hauptkanal 30 ein, welches kleiner als das Verbrennungsluftverhältnis λ_E des Verbrennungsmotors 10 ist. Dieses Mischungsluftverhältnis λ_H liegt auch stromab des NOx-Speicherkatalysators 16 vor. Da der Bypass 32 durch das Stellelement 34 in der Vorkonditionierungsphase verschlossen ist, entspricht auch das Mischungsluftverhältnis λ_M im Abgaskanal 12 stromab der Einmündung 28 des Bypasses 32 dem Mischungsluftverhältnis λ_M im Hauptkanal 30. Diese Vorkonditionierungsphase wird so lange durchgeführt, bis sich am NOx-Speicherkatalysator 16 die gewünschte Temperatur eingestellt hat. Das Erreichen des Temperaturfensters kann durch eine Temperaturmessung im Abgaskanal 12 oder durch eine Modellierung festgestellt werden.
In einer auf die Vorkonditionierungsphase oder, bei bereits erreichtem Temperaturfenster, direkt auf die Beladungsphase folgenden Regenerationsphase des NOx-Speicherkatalysators 16 wird das Stellelement 34 im Abgaskanal 12 derart verstellt, dass der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 vollständig durch den Bypass 32 geleitet wird und der NOx-Speicherkatalysator 16 nicht mehr mit Abgas des Verbrennungsmotors 10 beaufschlagt wird.
Der Verbrennungsmotor 10 wird während der Regeneration, wenn möglich, nicht mehr überstöchiometrisch, sondern vorzugsweise mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben, wodurch eine vollständige Abgasreinigung durch den Drei-Wege-Katalysator 18 im Bypass 32 erfolgt. Eine Fettphase, also eine Phase mit unterstöchiometrischen Bedingungen am NOx-Speicherkatalysator 16 wird dabei nicht durch das Abgas des Verbrennungsmotors 10, sondern durch die Einleitung eines Reformatgases durch die Einmündung 28 eingeleitet. Dieses Reformatgas kann wahlweise mit einem fett betriebenen Brenner 42 oder mittels eines Kraftstoffreformators 40 erzeugt werden. Während der Einleitung des Reformatgases in den Hauptkanal 30 werden die Nitrate im NOx-Speicherkatalysator 16 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 16 während der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 16 deutlich geringer als bei einer Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 16 durch eine motorische Fettphase des Verbrennungsmotors 10 gewählt werden kann. Weiterhin kann der Zeitpunkt der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 16 unabhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 gewählt werden. In Zusammenspiel mit der Möglichkeit der Vorkonditionierung des NOx-Speicherkatalysators 16 resultieren daraus deutlich verbesserte Umsätze und Wirkungsgrade bei der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 16 gegenüber einer Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 16 mittels einer motorischen Fettphase des Verbrennungsmotors 10. Die Dauer der Regeneration wird so gewählt, dass die im NOx-Speicherkatalysator 16 eingespeicherten Nitrate vollständig abgebaut werden und der NOx-Speicherkatalysator 16 als regeneriert angesehen werden kann. Dieser Zustand kann durch eine stromab des NOx-Speicherkatalysators 16 angeordnete Lambda-Sonde ermittelt werden. Sobald die Nitrate vollständig abgebaut sind, zeigt die Lambda-Sonde 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. Diese Sekundäremissionen können durch die katalytische Beschichtung des stromab des NOx-Speicherkatalysators 16 angeordneten katalytisch beschichteten Partikelfilters 24 konvertiert werden. Alternativ kann der Abschluss der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 16 anhand eines in dem Steuergerät 38 des Verbrennungsmotors 10 abgelegten Bilanzierungsmodells erfolgen. Nach Abschluss der Regeneration, welche beispielsweise durch den beschriebenen Fettdurchbruch stromab des NOx-Speicherkatalysators 16 oder durch das beschriebene Bilanzierungsmodell ermittelt werden kann, wird eine erneute Beladungsphase des NOx-Speicherkatalysators 16 eingeleitet. Dazu wird die Einleitung des Reformatgases abgestellt, der Verbrennungsmotor 10 wieder mit dem Diesel-typischen, überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ_E > 1 betrieben und das Stellelement 34 so gestellt, dass der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 wieder vollständig durch den Hauptkanal 30 geleitet wird. Der jeweilige Abgasstrom in den einzelnen Phasen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 3 eingezeichnet.
In 4 sind die jeweiligen Verbrennungsluftverhältnisse beziehungsweise Mischungsluftverhältnisse im Hauptkanal 30 und im Bypass 32 über den zeitlichen Verlauf des Verfahrens dargestellt. In der ersten Zeile ist das Verbrennungsluftverhältnis λ_H im Hauptkanal 30 vor dem NOx-Speicherkatalysator 16 aufgetragen. In der zweiten Zeile ist das Verbrennungsluft- oder Mischungsluftverhältnis λ_HnNSC im Hauptkanal 30 stromab des NOx-Speicherkatalysators 16 aufgetragen. In der dritten Zeile ist das Verbrennungsluftverhältnis λ_B im Bypass 32 dargestellt. In der vierten Zeile ist das Verbrennungs- beziehungsweise Mischungsluftverhältnis λ_M im gemeinsamen Abgaskanal 12 stromab der Einmündung 28 des Bypass 32 in den Hauptkanal 30 aufgetragen. Dabei sind die Beladungsphase des NOx-Speicherkatalysators 16 mit „I“ bezeichnet, die Vorkonditionierungsphase mit „II“, die Regenerationsphase mit „III“ und eine darauffolgende weitere Beladungsphase mit „IV“ bezeichnet.
In der Beladungsphase I wird der Verbrennungsmotor 10 mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis von beispielsweise λ_E > 1, beispielsweise λ_E = 1,8 betrieben. Dieser Luftüberschuss ist typisch und prinzipbedingt für einen Dieselmotor. Das Verbrennungsluftverhältnis ist in der Beladungsphase im Hauptkanal 30 stromauf des NOx-Speicherkatalysators 16, stromab des NOx-Speicherkatalysators 16 sowie stromab der Einmündung 28 des Bypass 32 in den Hauptkanal 30 konstant.
In der Vorkonditionierungsphase II wird der Verbrennungsmotor 10 weiterhin mit einem, vorzugsweise unveränderten, überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis von λ_E = 1,8 betrieben. Durch die zeitgleiche Einleitung des Reformatgases in den Hauptkanal 30 ergibt sich im Hauptkanal 30 vor dem NOx-Speicherkatalysator 16 ein Mischungsluftverhältnis von beispielsweise λ_H = 1,3. Das Mischungsluftverhältnis λ_H ist über den NOx-Speicherkatalysator 16 hinweg unverändert, sodass sich im Hauptkanal 30 stromab des NOx-Speicherkatalysators 16 sowie im gemeinsamen Abgaskanal 12 stromab der Einmündung des Bypass 32 ebenfalls ein Mischungsluftverhältnis λ_M = 1,3 ergibt.
Während der Regenerationsphase wird der Verbrennungsmotor 10 mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ_E = 1 betrieben und das Abgas des Verbrennungsmotors 10 durch den Bypass 32 geleitet. Dadurch stellt sich im Bypass 32 ebenfalls ein Verbrennungsluftverhältnis λ_B = 1 ein. Im Hauptkanal 30 stellt sich durch den unterstöchiometrisch betriebenen Reformator 40 oder Brenner 42 ein Verbrennungsluftverhältnis von beispielsweise λ_H = 0,6 ein. Durch die Reduktion der Stickoxide aus dem NOx-Speicherkatalysator 16 stellt sich im Hauptkanal 14 stromab des NOx-Speicherkatalysators 16 ein Luftverhältnis λ_H = 1 ein. Da sowohl der Abgasstrom durch den Hauptkanal 30 stromab des NOx-Speicherkatalysators 16 als auch der Abgasstrom durch den Bypass ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis aufweisen, stellt sich auch im gemeinsamen Abgaskanal 12 stromab der Einmündung 28 des Bypasses 32 in den Hauptkanal ein stöchiometrisches Abgas mit λ_M = 1 ein. Das Verbrennungsluftverhältnis in der erneuten Beladungsphase IV entspricht dem Verbrennungsluftverhältnis in der ersten Beladungsphase I.
Das vorgeschlagene Verfahren bietet eine kennfeldweite, effektive, verbrauchsneutrale Regeneration des NOx-Speicherkatalysators ohne signifikante Sekundäremissionen und ist gegenüber einer Regeneration mittels einer motorischen Fettphase oder einer Fettphase durch Eindosierung eines Reduktionsmittels in einen Vollstrom des Abgaskanals 12 bevorzugt.
Durch die geringe Raumgeschwindigkeit bietet das Verfahren einen besseren NOx-Umsatz sowie die Möglichkeit einer weitestgehend vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 unabhängigen Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 16. Es werden weniger Bauteile benötigt als bei einem Bypasssystem, bei dem zwei NOx-Speicherkatalysatoren parallel angeordnet sind, wodurch der Montageaufwand reduziert wird. Da eine motorische Fettphase bei einem Dieselmotor nicht in allen Kennfeldbereichen möglich ist, kann durch das erfindungsgemäße Verfahren der Kennfeldbereich, in dem der Partikelfilter regeneriert werden kann, vergrößert werden.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Abgaskanal
14: oxidativ wirksames Element zur Abgasnachbehandlung
16: NOx-Speicherkatalysator
18: Drei-Wege-Katalysator
20: Oxidationskatalysator
22: Partikelfilter
24: katalytisch beschichteter Partikelfilter
26: Verzweigung
28: Einmündung
30: Hauptkanal
32: Bypass
34: Stellelement
36: Antriebselement
38: Steuergerät
40: Reformator
42: Brenner
44: Signalleitung
46: Drucksensor
48: Reformatorkanal
50: Einmündung (des Reformatorkanals)
52: NOx-Sensor
λ_B: Verbrennungsluftverhältnis im Bypasskanal
λ_H: Verbrennungsluftverhältnis im Hauptkanal des Verbrennungsmotors
λ_HnNSC: Verbrennungs- oder Mischungsluftverhältnis im Hauptkanal stromab des NOx-Speicherkatalysators
λ_M: Mischungsluftverhältnis aus λ_B und λ_Hl
cDPF: katalytisch beschichteter Diesel-Partikelfilter
DOC: Diesel-Oxidations-Katalysator
DPF: Diesel-Partikelfilter
NSC: NOx-Speicherkatalysator
TWC: Drei-Wege-Katalysator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010014468 B4 [0005]
DE 102014206455 A1 [0006, 0006]
DE 102014202291 A1 [0017]

Claims

Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10), umfassend folgende Schritte: – Betreiben des Verbrennungsmotors (10) mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis, – Durchleiten des Abgases des mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betriebenen Verbrennungsmotors (10) durch ein im Abgaskanal (12) des Verbrennungsmotors (10) angeordnetes erstes, oxidativ wirksames Element (14) zur Abgasnachbehandlung, – anschließendes Durchleiten des Abgases durch eine Verzweigung (26) des Abgaskanals (12), wobei – an der Verzweigung (26) ein Stellelement (34) angeordnet ist, mit dem der Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10) entweder durch einen Hauptkanal (30) oder einen Bypass (32) des Abgaskanals (12) geleitet wird, wobei das Abgas in einer ersten Stellung des Stellelements (34) durch den Hauptkanal (30) geleitet wird und die im Abgas enthaltenen NOx-Emissionen in einem im Hauptkanal (30) angeordneten NOx-Speicherkatalysator (16) eingespeichert werden, – Leiten des Abgases über einen im Abgaskanal (12) angeordneten Partikelfilter (22, 24), – Regeneration des NOx-Speicherkatalysators (16), wobei das Abgas des Verbrennungsmotors (10) durch den Bypass (32) geleitet wird und ein Reduktionsmittel durch eine Einmündung (50) in den Hauptkanal (30) stromauf des NOx-Speicherkatalysators (16) eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) nach dem Diesel-Prinzip als selbstzündender Verbrennungsmotor (10) betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) während der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators (16) mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ = 1) betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Beladung und der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators (16) ein weiterer Verfahrensschritt vorgesehen ist, in dem der NOx-Speicherkatalysator (16) für eine optimale Regeneration vorkonditioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vorkonditionierung des NOx-Speicherkatalysators (16) der Verbrennungsmotor (10) mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird, das Abgas des Verbrennungsmotors (10) durch den Hauptkanal (30) geleitet wird und gleichzeitig das Reduktionsmittel durch die Einmündung (50) in den Hauptkanal (30) eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkonditionierung des NOx-Speicherkatalysators (16) vor der Regeneration auf einen Temperaturbereich zwischen 300°C und 500°C, bevorzugt zwischen 360°C und 440° C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeneration des NOx-Speicherkatalysators (30) eingeleitet wird, wenn stromab des NOx-Speicherkatalysators (30) im Abgaskanal (12) ein Anstieg der NOx-Konzentration detektiert wird oder ein Bilanzierungsmodell die Notwendigkeit einer Regeneration des NOx-Speicherkatalysators (30) ermittelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsmittel ein Reformatgas eines Reformators (38) oder Brenners (42) ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Reformatgas unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid oder molekularen Wasserstoff enthält.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10), insbesondere eines selbstzündenden Verbrennungsmotors, mit einem Abgaskanal (12), einem im Abgaskanal (12) angeordneten oxidativ wirksamen Element (14) zur Abgasnachbehandlung, einer im Abgaskanal (12) stromab des oxidativ wirksamen Elements (14) zur Abgasnachbehandlung angeordneten Verzweigung (26), an der sich der Abgaskanal (12) in einen Hauptkanal (30) und einen Bypass (32) verzweigt, einem an der Verzweigung (26) angeordneten Stellelement (34), mit welchem ein Abgasstrom wahlweise durch den Hauptkanal (30) oder den Bypass (32) geleitet werden kann, sowie einem im Hauptkanal (30) angeordneten NOx-Speicherkatalysator (16), dadurch gekennzeichnet, dass im Bypass (32) ein Drei-Wege-Katalysator (18) angeordnet ist, dass stromab der Verzweigung (26) und stromauf des NOx-Speicherkatalysators (16) eine Einmündung (28) in den Hauptkanal (14) ausgebildet ist, durch die ein Reduktionsmittel für die im NOx-Speicherkatalysator (30) zurückgehaltenen Stickoxide in den Hauptkanal (14) einleitbar ist, sowie mit einem Steuergerät (38), welches eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.