DE102016206394A1

DE102016206394A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102016206394A1
Application number: DE102016206394.4A
Authority: DE
Inventors: Lars Schlüter; Stefan PAUKNER
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-04-15
Filing date: 2016-04-15
Publication date: 2017-10-19
Anticipated expiration: 2036-04-16
Also published as: DE102016206394B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einer zweiflutig ausgebildeten Abgasanlage, wobei beide Abgasfluten durch einen gemeinsamen Brenner beheizt werden können. In jeder der Abgasfluten sind ein erster und ein zweiter Katalysator angeordnet, wobei die λ-Regelung des Verbrennungsmotors und/oder des Brenners zumindest während einer Aufheizphase der Abgasanlage durch eine stromabwärts des zweiten Katalysators angeordnete Lambdasonde erfolgt. Es ist vorgesehen, dass die Abgasanlage insbesondere nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors durch den Brenner erhitzt wird, um die Katalysatoren möglichst schnell auf eine Light-Off-Temperatur zu bringen und eine wirksame Konvertierung der Schadstoffe im Abgas zu ermöglichen. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit zweiflutiger Abgasanlage.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einer zweiflutigen Abgasanlage, wobei beide Fluten der Abgasanlage über einen gemeinsamen Brenner beheizbar sind.
Die aktuellen Abgasgesetzgebungen stellen bereits heute hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und an die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren, welche mit zukünftigen Abgasgesetzgebungen weiter steigen. So wird beispielsweise auch bei Ottomotoren mit Einführung der Abgasnorm EU6 ein Grenzwert für eine Partikelzahl im Abgas vorgeschrieben. Dies kann dazu führen, dass in einigen Modellen der Einsatz eines Ottopartikelfilters (OPF) nötig sein wird. Um die nicht vermeidbaren Rohemissionen nachmotorisch in unschädliche Abgaskomponenten konvertieren zu können, werden in der Abgasanlage mit Edelmetall beschichtete Katalysatoren verbaut. Damit diese Katalysatoren die Schadstoffe umsetzen können, ist ein minimales Temperaturniveau des Abgases und des Katalysators (eine sogenannte „Light-Off-Temperatur“) notwendig. Um dieses Temperaturniveau insbesondere nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors möglichst schnell zu erreichen, werden motorische Heizmaßnahmen eingesetzt. Jedoch ist die Wärmemenge, die durch motorische Heizmaßnahmen eingebracht werden kann, begrenzt.
Um noch mehr Wärme gezielt in die Abgasanlage des Verbrennungsmotors einzubringen, ist es möglich, Wärme über einen zusätzlichen Brenner in die Abgasanlage einzubringen. Mit einem solchen Brenner lassen sich sehr kurze Aktivierungszeiten der Katalysatoren realisieren. Dabei ist es zielführend, wenn die Katalysatoren bereits in der Heizphase mit einem stöchiometrischen Abgas beaufschlagt werden, wodurch die Emissionen bereits in der Heizphase der Katalysatoren deutlich reduziert werden können.
Aus der DE 43 40 613 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit einer zweiflutigen Abgasanlage bekannt, wobei in jeder Flut der Abgasanlage ein Katalysator angeordnet ist und bei der beide Katalysatoren über die Abluft eines gemeinsamen Brenners beheizbar sind, um in einer Kaltstartphase die Katalysatoren schneller auf Betriebstemperatur zu bringen. Nachteilig an einer solchen Lösung ist jedoch, dass während der Heizphase keine Lambdaregelung erfolgt, welche das zusätzliche Abgas aus dem Brenner berücksichtigt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Katalysatoren der Abgasanlage möglichst schnell auf die Light-Off-Temperatur zu bringen und die Heizphase möglichst emissionsneutral zu gestalten.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einer zweiflutig ausgebildeten Abgasanlage und einem Brenner gelöst, über dessen Abluft beide Fluten der Abgasanlage beheizbar sind, und in beiden Fluten der Abgasanlage jeweils ein erster Katalysator und ein zweiter Katalysator angeordnet sind, welches folgende Schritte umfasst:

– Einleiten der heißen Abluft des Brenners in die Abgasanlage, wobei zumindest die jeweils zweiten Katalysatoren durch die Abluft des Brenners geheizt werden,
– Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses des Verbrennungsmotors und/oder des Brenners durch zumindest eine der stromabwärts des zweiten Katalysator angeordneten Lambdasonden während einer Aufheizphase der Abgasanlage, in welcher der Brenner betrieben wird.

Dadurch wird der zweite Katalysator in der Kaltstartphase schnell auf Betriebstemperatur, also auf ein Temperaturniveau oberhalb der Light-Off-Temperatur gebracht, sodass eine effektive und effiziente Abgasnachbehandlung möglich ist. Dadurch können sehr kurze Aktivierungszeiten für den zweiten Katalysator erreicht werden. Gleichzeitig werden durch den vorgeschalteten ersten Katalysator und insbesondere durch die Lambda-Regelung von Brenner und Verbrennungsmotor bereits in dieser Aufheizphase die Emissionen deutlich reduziert, da aus dem Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors und dem Verbrennungsluftverhältnis des Brenners ein Mischlambda gebildet wird, und dieses Mischlambda auf λ = 1 eingeregelt werden kann, um die Emissionen in der Kaltstartphase möglichst effizient zumindest durch den zweiten Katalysator zu reduzieren. Somit kann die Heizphase der Katalysatoren möglichst emissionsneutral gehalten werden.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abluft des Brenners jeweils stromabwärts des ersten Katalysators und stromaufwärts des zweiten Katalysators in die Fluten der Abgasanlage eingeleitet wird. Somit können die jeweils ersten Katalysatoren über die motorischen Heizmaßnahmen und die jeweils zweiten Katalysatoren über das Brennerheizen weitestgehend unabhängig voneinander auf Betriebstemperatur gebracht werden. Durch das Brennerheizen sind die jeweils zweiten Katalysatoren, also die Katalysatoren in Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges, schneller auf eine Light-Off-Temperatur gebracht, sodass diese Katalysatoren in der Startphase für die Konvertierung der Schadstoffe im Abgas genutzt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass der motornahe Katalysator parallel durch motorische Heizmaßnahem aufgeheizt wird. Dadurch steht bereits kurze Zeit nach dem Kaltstart ein großes Katalysator-Volumen zur Konvertierung von Schadstoffen bereit, da beide Katalysatoren auf diese Weise schnell auf die Light-off-Temperatur erwärmt werden können.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Regelung des Abgasluftverhältnisses für den jeweils zweiten Katalysator durch eine Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses des Brenners erfolgt. Durch die Regelung kann ein Mischungsluftverhältnis (im Folgenden auch als Mischlambda bezeichnet) für die Abgasanlage stromabwärts der Einmündung der Verbindungsleitung eingeregelt werden, sodass auch während der Aufheizphase eine hohe Regelgüte des Mischungsluftverhältnisses möglich ist.
Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn der Brenner mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis und der Verbrennungsmotor mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben werden. Somit können Unterschiede in den Luftverhältnissen von Brenner und Verbrennungsmotor ausgeglichen werden, und es ergeben sich neue Freiheitsgrade, da der Verbrennungsmotor (und der Brenner) in der Aufheizphase nicht zwingend jeweils auf ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis eingeregelt werden müssen.
Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Brenner mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis und der Verbrennungsmotor mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben werden. Auch bei der umgekehrten Variante kann eine Abweichung von einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis erfolgen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Verbrennungsluftverhältnis einer ersten Zylinderbank des Verbrennungsmotors durch eine Lambdasonde in der ersten Flut der Abgasanlage stromaufwärts des ersten Katalysators in der ersten Flut und ein Verbrennungsluftverhältnis einer zweiten Zylinderbank des Verbrennungsmotors durch eine Lambdasonde in der zweiten Flut der Abgasanlage stromabwärts des zweiten Katalysators in der zweiten Flut geregelt werden. Dadurch können bei einer Ungleichverteilung der Abluft des Brenners Abweichungen des Luftverhältnisses zwischen den beiden Fluten der Abgasanlage ausgeglichen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Verbrennungsluftverhältnis einer ersten Zylinderbank des Verbrennungsmotors durch eine Lambdasonde in der ersten Flut der Abgasanlage stromaufwärts des ersten Katalysators in der ersten Flut und ein Verbrennungsluftverhältnis einer zweiten Zylinderbank des Verbrennungsmotors durch eine Lambdasonde in der zweiten Flut der Abgasanlage stromaufwärts des ersten Katalysators in der zweiten Flut geregelt werden. Dadurch ist eine sehr präzise Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses beider Zylinderbänke mit jeweils kurzen Regelstrecken möglich.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn eine Regelung der Einspritzmenge des Brenners in einem ersten Betriebszustand durch eine Lambdasondre in der ersten Flut stromabwärts des zweiten Katalysators in der ersten Flut und in einem zweiten Betriebszustand durch eine Lambdasonde stromabwärts des zweiten Katalysators in der zweiten Flut erfolgt. Dadurch ist eine wechselseitige Regelung des Brenners durch die beiden Fluten des Abgaskanals möglich, sodass Regelabweichungen aus einer Flut zumindest teilweise ausgeglichen werden können. Bevorzugt erfolgt dabei ein alternierendes Umschalten zwischen den beiden Lambdasonden jeweils stromabwärts der zweiten Katalysatoren, um die Regelgüte weiter zu verbessern.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Einspritzmenge des Brenners gesteuert wird und das Verbrennungsluftverhältnis für die beiden Fluten des Abgaskanals jeweils Zylinderbank-individuell durch die Lambdasonden in den beiden Fluten jeweils stromabwärts der zweiten Katalysatoren geregelt wird. Dadurch ist eine besonders einfache Ansteuerung des Brenners möglich, sodass das Mischungsluftverhältnis ausschließlich über die Verbrennungsluftverhältnisse der beiden Zylinderbänke des Verbrennungsmotors geregelt wird und keine zusätzliche Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses des Brenners notwendig ist. Dadurch kann der Brenner einfacher und kostengünstiger ausgeführt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der jeweils zweite Katalysator als Vier-Wege-Katalysator ausgebildet ist, wobei der Brenner aktiviert wird, um eine Regeneration des Partikelfilters des Vier-Wege-Katalysators zu unterstützen. Dadurch ist zusätzlich das Herausfiltern von Rußpartikeln aus dem Abgas des Verbrennungsmotors möglich, sodass nicht nur die Emissionen in der Kaltstartphase, insbesondere die Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickstoffoxiden (NOx) reduziert werden, sondern zusätzlich auch das Erreichen eines Grenzwerts für die Partikelanzahl erleichtert wird. Dabei kann der Brenner zusätzlich genutzt werden, um die Regeneration des Partikelfilters auf dem jeweiligen Vier-Wege-Katalysator zu erleichtern und diesen auf eine Regenerationstemperatur zu heizen, sodass motorische Maßnahmen zum Heizen des Partikelfilters reduziert werden können oder ganz entfallen können.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einer zweiflutig ausgebildeten Abgasanlage und einem Brenner, über dessen Abluft beide Fluten der Abgasanlage beheizbar sind, vorgeschlagen, wobei in beiden Fluten jeweils ein erster Katalysator und ein zweiter Katalysator angeordnet sind, und wobei die Vorrichtung ein Steuergerät aufweist, mit dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchgeführt werden kann. Mit einer solchen Vorrichtung lässt sich ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführen, sodass eine schnelle Aufheizung der Katalysatoren auf eine Light-Off-Temperatur möglich ist, wobei bereits in der Aufheizphase die Emissionen des Verbrennungsmotors effizient verringert werden können.
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 Abgasanlage eines Verbrennungsmotors mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung,
2 ein Schaubild zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Lambda-Regelung,
3 ein Schaubild zur Durchführung eines alternativen, erfindungsgemäßen Verfahrens zur Lambda-Regelung,
4 ein weiteres Schaubild zur Durchführung einer weiteren Alternative eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Lambda-Regelung,
5 ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung, und
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Abgasanlage mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung.
1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 mit einer zweiflutigen Abgasanlage 12. Der Verbrennungsmotor 10 ist vorzugsweise als V-Motor, W-Motor oder als Boxermotor ausgebildet, wobei die Auslassseite einer ersten Zylinderbank 48 von der Auslassseite einer zweiten Zylinderbank 50 des Verbrennungsmotors 10 getrennt ist. Die zweiflutige Abgasanlage 12 weist eine erste Abgasflut 14 auf, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 ein erster, motornaher Drei-Wege-Katalysator 18 und ein zweiter, vorzugsweise in Unterbodenlage eines Kraftfahrzeugs angeordneter, Drei-Wege-Katalysator 22 angeordnet sind. Unter einer motornahen Anordnung ist in diesem Zusammenhang ein mittlerer Abgaslaufweg von höchstens 50 cm, insbesondere von höchstens 30 cm, nach dem Auslass des Verbrennungsmotors 10 zu verstehen. Stromaufwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 18 ist eine erste Lambdasonde 30 und stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 18 ist eine zweite Lambdasonde 34 in der ersten Flut 14 der Abgasanlage 12 angeordnet. Stromabwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators 22 ist in der ersten Flut 14 eine dritte Lambdasonde 38 angeordnet. In der zweiten Abgasflut 16 der Abgasanlage 12 sind ebenfalls ein erster Drei-Wege-Katalysator 20 und ein zweiter Drei-Wege-Katalysator 24 angeordnet, wobei stromaufwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 20 eine erste Lambdasonde 32, stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 20 eine zweite Lambdasonde 36 und stromabwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators 24 eine dritte Lambdasonde 40 vorgesehen sind. Die Lambdasonden 30, 32, 34, 36, 38 und 40 sind über Signalleitungen 46 mit einem Steuergerät 44 verbunden. Das Steuergerät 44 ist über weitere Signalleitungen 46 mit dem Verbrennungsmotor 10 verbunden, wobei anhand der Signale der Lambdasonden 30, 32, 34, 36, 38 und 40 eine Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses des Verbrennungsmotors 10 möglich ist. Das Steuergerät 44 ist ferner über eine aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte Signalleitung mit einem Brenner 26 verbunden, über welche die Einspritzmenge des Brenners 26 gesteuert werden kann oder über welche die Einspritzmenge des Brenners 26 im Zusammenspiel mit zumindest einer der Lambdasonden 38, 40 geregelt werden kann. Der Brenner 26 ist über eine Verbindungsleitung 28 mit beiden Fluten 14, 16 der Abgasanlage 12 verbunden, wobei die Verbindungsleitung 28 jeweils stromabwärts der jeweils zweiten Lambdasonde 34, 36 des jeweils ersten Drei-Wege-Katalysators 18, 20 und stromaufwärts des jeweils zweiten Drei-Wege-Katalysators 22, 24 in die Fluten 14, 16 der Abgasanlage 12 mündet. Durch die Verbindungsleitung 28 ist ein Überströmen des Abgases des Verbrennungsmotors 12 von der ersten Flut 14 in die zweite Flut 16 oder von der zweiten Flut 16 in die erste Flut 14 der Abgasanlage 12 möglich, insbesondere in Betriebsphasen, in denen der Brenner 26 deaktiviert ist. Durch einen entsprechenden Leitungsquerschnitt der Verbindungsleitung 28 und einen entsprechend hohen Abgasmassenstrom des Brenners 26 kann ein Gasaustausch zwischen den beiden Fluten 14, 16 weitestgehend vermieden werden, wenn der Brenner 26 aktiviert ist, da in diesem Fall der Druck im engen Leitungsquerschnitt der Verbindungsleitung 28 höher ist als in den beiden Fluten 14, 16 der Abgasanlage 12.
In der Startphase des Verbrennungsmotors 10 können motorische Heizmaßnahmen mit dem Brennerheizen kombiniert werden. Es ist im Hinblick auf die Emissionen sinnvoll, bereits in der Heizphase ein stöchiometrisches Luftverhältnis in der Abgasanlage einzustellen. Da sich das Gesamtlambda aus dem Abgas des Verbrennungsmotors 10 sowie aus der Abluft des Brenners 26 zusammensetzt, kann das Gesamtlambda durch den Brenner 26, den Verbrennungsmotor 10 oder eine Kombination aus beidem geregelt werden. Eine einfache Lösung besteht darin, den Verbrennungsmotor 10 auf ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis einzuregeln und die Kraftstoffmenge für den Brenner 26 entsprechend vorzusteuern. Prinzipiell ist es ebenfalls denkbar, dass bei einem stöchiometrischen Mischlambda der Verbrennungsmotor 10 mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis und der Brenner 26 mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben werden. Alternativ ist es möglich, dass der Verbrennungsmotor 10 mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis und der Brenner 26 mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben werden. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass das Mischlambda leicht mager eingestellt wird, beispielsweise um einen in Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges verbauten Partikelfilter zu regenerieren. Alternativ ist es möglich, dass das Mischlambda leicht fett eingestellt wird, beispielsweise um einen in Unterbodenlage verbauten NOx-Speicherkatalysators zu regenerieren. Die Leistung des Brenners 26 wird über die Menge der Verbrennungsluft und der daraus resultierenden Kraftstoffmenge für das gewünschte Verbrennungsluftverhältnis des Brenners 26 variiert. Die Vorsteuermenge des Kraftstoffs für den Brenner 26 errechnet sich dabei aus dieser Luftmenge. Alternativ kann die gewünschte Heizleistung über die Feuerungswärmeleistung des Kraftstoffes berechnet werden. Diese Kraftstoffmenge wird über eine Vorsteuerung eingestellt. Aus dem gewünschten Brenner- oder Mischlambda wird die dafür erforderliche Luftmenge des Brenners eingestellt. Mit der jeweils stromab der zweiten Katalysatoren 22, 24 angeordneten dritten Lambdasonde 38, 40 wird der Restsauerstoffanteil im Mischabgas gemessen. Dieses Signal wird über die Signalleitung 46 an das Steuergerät 44 übertragen, mit dem die Kraftstoffmengen für den Brenner 26 und den Verbrennungsmotor 10 geregelt werden. Alternativ sind auch separate Steuergeräte für den Brenner 26 und den Verbrennungsmotor 10 denkbar.
Der Brenner 26 ist über eine Verbindungsleitung 28 mit beiden Fluten 14, 16 der Abgasanlage 12 verbunden, wobei die Verbindungsleitung 28 jeweils stromabwärts der jeweils zweiten Lambdasonde 34, 36 des jeweils ersten Drei-Wege-Katalysators 18, 20 und stromaufwärts des jeweils zweiten Drei-Wege-Katalysators 22, 24 in die Fluten 14, 16 der Abgasanlage 12 mündet. Dabei ist die Austrittsstelle des Brenners 26 so ausgebildet, dass die Abluft des Brenners 26, vorzugsweise gleichmäßig, auf die beiden Fluten 14, 16 der Abgasanlage 12 aufgeteilt wird und jeweils vor den zu heizenden zweiten Drei-Wege-Katalysatoren 22, 24 eingeleitet wird. Die gleichmäßige Aufteilung der Abluft des Brenners 26 kann jedoch nicht über eine längere Laufzeit garantiert werden, da sich unterschiedliche Gegendrücke in den beiden Fluten 14, 16 der Abgasanlage 12 einstellen können, beispielsweise durch Ablagerungen auf den Katalysatoren 22, 24 oder durch unterschiedliche Beladungen weiterer, nicht dargestellter Komponenten zur Abgasnachbehandlung. Da das Gesamtabgas auf den beheizten, zweiten Drei-Wege-Katalysatoren 22, 24 eine Mischung aus dem Motorabgas und der Abluft des Brenners 26 darstellt, muss für eine hohe Regelgüte des Luftverhältnisses ein Verfahren entwickelt werden, welches eine gleichmäßige Regelung der Luftverhältnisse für beide Fluten 14, 16 der Abgasanlage 12 sicherstellt.
Dafür werden in den 2 bis 4 unterschiedliche Regelstrategien erläutert, welche untereinander auch kombiniert werden können.
Bei der in 2 dargestellten Regelstrategie wird das Mischlambda durch eine der dritten Lambdasonden 38, 40 stromabwärts der jeweils zweiten Drei-Wege-Katalysatoren 22, 24 geregelt. Die Stellgröße für das Mischlambda ist in diesem Fall die Kraftstoffmasse, welche dem Brenner 26 zugeführt wird. Durch eine Erhöhung der Kraftstoffmenge wird das Mischlambda in den beiden Fluten 14, 16 der Abgasanlage 12 angefettet, durch eine Absenkung der Einspritzmenge wird das Mischlambda abgemagert.
Aufgrund von Ungleichverteilungen kann sich somit auf der nicht an der Regelung beteiligten Abgasflut 14, 16 eine Abweichung von dem Wunschlambda einstellen. Diese Abweichung kann durch das Motorlambda der Zylinderbank 48, 50, welche an die entsprechende Flut 14, 16 der Abgasanlage 12 angeschlossen ist, ausgeglichen werden. Wird beispielsweise, wie in 2 dargestellt, der Brenner 26 durch die dritte Lambdasonde 38 in der ersten Flut 14 der Abgasanlage 12 geregelt, so kann eine Abweichung in der zweiten Flut 16 durch eine entsprechende Anpassung des Verbrennungsluftverhältnisses der zweiten Zylinderbank 50 ausgeglichen werden.
In 3 ist eine weitere Regelstrategie für das Mischungsluftverhältnis in der Abgasanlage 12 stromabwärts der Einmündung der Verbindungsleitung 28 dargestellt. Dabei erfolgt eine Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses des Brenners 26 durch eine wechselseitige Lambdaregelung durch die jeweils dritten Lambdasonden 38, 40 jeweils stromabwärts der geheizten zweiten Drei-Wege-Katalysatoren 22, 24. Bei dieser Regelung wird ebenfalls auf eine der dritten Lambdasonden 38, 40 stromabwärts eines der zweiten Drei-Wege-Katalysatoren 22, 24 geregelt. Das Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors 10 wird durch motornahe Führungssonden, also durch die jeweils ersten Lambdasonden 30, 32 in den beiden Fluten 14, 16 der Abgasanlage 12 auf den gewünschten Wert eingeregelt. Das Mischlambda wird wie bei dem in 2 beschriebenen Verfahren durch die Einspritzmenge des Brenners 26 geregelt. Dabei wird zunächst auf eine der Abgasfluten 14, 16 geregelt, beispielsweise mit der dritten Lambdasonde 38 in der ersten Abgasflut 14 auf diese erste Flut 14. Durch Ungleichverteilungen der Abluft des Brenners 26 kann eine Abweichung auf der anderen Abgasflut 14, 16, in diesem Fall auf der zweiten Abgasflut 16, auftreten. Überschreitet die Abweichung zwischen dem an der dritten Lambdasonde 38 der ersten Abgasflut 14 und dem an der dritten Lambdasonde 40 der zweiten Abgasflut 16 gemessenen Mischlambda einen zulässigen Schwellenwert, wird als Führungsgröße auf das Messsignal der dritten Lambdasonde 40 in der zweiten Abgasflut 16 umgeschaltet. Durch dieses Verfahren wird die Regelabweichung periodisch auf beide Abgasfluten 14, 16 verteilt, bei vorliegender Ungleichverteilung stellt sich jedoch immer eine bleibende Abweichung zu dem gewünschten Mischlambda ein.
In 4 ist eine dritte Regelstrategie für das Mischungsluftverhältnis in der Abgasanlage 12 stromabwärts der Einmündung der Verbindungsleitung 28 dargestellt. Bei dieser Variante des Verfahrens wird das Verbrennungsluftverhältnis des Brenners 26 nur gesteuert und nicht geregelt. Mit dem jeweiligen Signal der jeweils dritten Lambdasonde 38, 40 wird über eine Zylinderbank-selektive Regelung das Verbrennungsluftverhältnis für die Zylinderbanken 48, 50 des Verbrennungsmotors 10 geregelt. Somit werden über die unterschiedlichen Einspritzparameter der jeweiligen Zylinderbank 48, 50 die Ungleichverteilungen der Brennerabluft durch die Verbindungsleitung 28 ausgeglichen, und es stellt sich in beiden Fluten 14, 16 der Abgasanlage 12 eine hohe Regelgüte ein. Nachteilig an dieser Regelstrategie ist jedoch die vergleichsweise, mit den unter den vorhergehenden Figuren beschriebenen Verfahren, lange Regelstrecke durch die vergleichsweise lange Gaslaufzeit des Abgases des Verbrennungsmotors 10 bis hin zu den jeweils dritten Lambdasonden 38, 40.
In 5 ist eine alternative Konfiguration der Abgasanlage 12 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen. Die Verbindungsleitung 28, welche den Brenner 26 mit den beiden Fluten 14, 16 der Abgasanlage 12 verbindet, mündet bei dieser Ausführungsform stromabwärts der jeweils ersten Lambdasonde 30, 32 und stromaufwärts des jeweils ersten Drei-Wege-Katalysators 18, 20 in die beiden Fluten 14, 16 der Abgasanlage 12. Somit können in beiden Fluten 14, 16 jeweils der erste Drei-Wege-Katalysator 18, 20 und der zweite Drei-Wege-Katalysator 22, 24 durch den Brenner 26 aufgeheizt werden. Nachteilig an einer solchen Konfiguration ist jedoch, dass keine separate Aufheizung durch motorische Heizmaßnahmen und das Brennerheizen möglich sind, sondern die Heizmaßnahmen sich jeweils additiv auf die jeweils beiden Drei-Wege-Katalysatoren 18, 20, 22 und 24 in beiden Fluten 14, 16 der Abgasanlage auswirken. Dies kann zu einer vorzeitigen Alterung der Drei-Wege-Katalysatoren 18, 20, 22 und 24, insbesondere der motornahen ersten Katalysatoren 18 und 20 führen.
In 6 ist eine weitere alternative Konfiguration der Abgasanlage 12 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors 12 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der jeweils zweite Katalysator 20, 22 in den beiden Fluten 14, 16 der Abgasanlage als Vier-Wege-Katalysator 42 ausgebildet und umfasst somit zusätzlich einen Partikelfilter. Durch das zu 2 bis 4 beschriebene Verfahren ist zusätzlich eine effektive Regeneration des Partikelfilters im Vier-Wege-Katalysator 42 möglich, wobei der Brenner 26 genutzt werden kann, um das Abgas in den beiden Fluten auf eine Regenerationstemperatur des Partikelfilters von ca. 650°C aufzuheizen. Durch den Partikelfilter im Vier-Wege-Katalysator 42 wird der beschriebene Effekt, das sich unterschiedliche Abgasgegendrücke in den Fluten 14, 16 der Abgasanlage 12 bilden können und es somit zu einer Ungleichverteilung der eingeleiteten Abluft des Brenners 26 kommt, verstärkt. Für die Regeneration des Partikelfilters auf dem jeweiligen Vier-Wege-Katalysator 42 ist dies ungünstig, da die Abluft des Brenners 26 verstärkt in die Flut 14, 16 mit dem geringeren Abgasgegendruck als die Flut 14, 16, in der der Vier-Wege-Katalysator 42 eine geringere Beladung aufweist, eingeleitet wird, und somit der geringer beladene Partikelfilter bevorzugt regeneriert wird. Dies kann durch eine Klappe am Ausgang des Brenners 26 und somit einer gezielten Verteilung der Abluft vermieden werden, wobei die Klappe zur Regeneration dann so verstellt wird, dass die Abgasflut 14, 16 mit dem höheren Abgasgegendruck verstärkt mit der Abluft des Brenners 26 beaufschlagt wird, um die Regeneration des stärker beladenen Vier-Wege-Katalysators 42 zu unterstützen.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Abgasanlage
14: erste Flut (der Abgasanlage)
16: zweite Flut (der Abgasanlage)
18: erster Katalysator
20: erster Katalysator
22: zweiter Katalysator
24: zweiter Katalysator
26: Brenner
28: Verbindungsleitung
30: erste Lambdasonde
32: erste Lambdasonde
34: zweite Lambdasonde
36: zweite Lambdasonde
38: dritte Lambdasonde
40: dritte Lambdasonde
42: Vier-Wege-Katalysator
44: Steuergerät
46: Signalleitung
48: erste Zylinderbank
50: zweite Zylinderbank
λ: Verbrennungsluftverhältnis beziehungsweise Abgasluftverhältnis
λ₁: Verbrennungsluftverhältnis der ersten Zylinderbank
λ₂: Verbrennungsluftverhältnis der zweiten Zylinderbank
λ_B: Verbrennungsluftverhältnis des Brenners
λ_EG1: Abgasluftverhältnis in der ersten Flut
λ_EG2: Abgasluftverhältnis in der zweiten Flut
TWC: Drei-Wege-Katalysator
FWC: Vier-Wege-Katalysator (Drei-Wege-Katalysator mit integriertem Partikelfilter)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4340613 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) mit einer zweiflutig ausgebildeten Abgasanlage (12) und einem Brenner (26), über dessen Abluft beide Fluten (14, 16) der Abgasanlage (12) beheizbar sind, wobei in beiden Fluten (14, 16) jeweils ein erster Katalysator (18, 20) und ein zweiter Katalysator (22, 24) angeordnet sind, umfassend folgende Schritte: – Einleiten der heißen Abluft des Brenners (26) in die beiden Fluten (14, 16) der Abgasanlage (12), wobei zumindest die jeweils zweiten Katalysatoren (22, 24) durch die Abluft des Brenners geheizt werden, – Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses des Verbrennungsmotors (10) oder des Brenners (26) durch zumindest eine der stromabwärts des zweiten Katalysators (22, 24) angeordneten Lambdasonde (38, 40) während einer Aufheizphase der Abgasanlage (12), in welcher der Brenner (26) betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abluft des Brenners (26) jeweils stromabwärts des ersten Katalysators (18, 20) und stromaufwärts des zweiten Katalysators (22, 24) in die Fluten (14, 16) der Abgasanlage (12) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung des Abgasluftverhältnis (λ_EG) für den jeweils zweiten Katalysator (22, 24) durch eine Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses (λ_B) des Brenners (26) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (26) mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ_B > 1) und der Verbrennungsmotor (10) mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ_1,2 < 1) betrieben wird oder der Brenner (26) mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ_B < 1) und der Verbrennungsmotor (10) mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ_1,2 > 1) betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbrennungsluftverhältnis (λ₁) einer ersten Zylinderbank (48) des Verbrennungsmotors (10) durch eine Lambdasonde (30) in der ersten Flut (14) der Abgasanlage (12) stromaufwärts des ersten Katalysators (18) und ein Verbrennungsluftverhältnis (λ₂) einer zweiten Zylinderbank (50) des Verbrennungsmotors (10) durch eine Lambdasonde (40) in der zweiten Flut (16) der Abgasanlage (12) stromabwärts des zweiten Katalysators (24) geregelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbrennungsluftverhältnis (λ₁) einer ersten Zylinderbank (48) des Verbrennungsmotors (10) durch eine Lambdasonde (30) in der ersten Flut (14) der Abgasanlage (12) stromaufwärts des erste Katalysators (22) und ein Verbrennungsluftverhältnis (λ₂) einer zweiten Zylinderbank (50) des Verbrennungsmotors (10) durch eine Lambdasonde (30) in der zweiten Flut (16) der Abgasanlage (12) stromaufwärts des ersten Katalysators (24) geregelt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung der Einspritzmenge des Brenners (26) in einem ersten Betriebszustand durch eine Lambdasonde (38) in der ersten Flut (14) stromab des zweiten Katalysators (22) und in einem zweiten Betriebszustand durch eine Lambdasonde (40) in der zweiten Flut (16) stromab des zweiten Katalysators (24) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzmenge des Brenners (26) gesteuert wird und das Verbrennungsluftverhältnis für die beiden Fluten (14, 16) der Abgasanlage (12) jeweils Zylinderbank-individuell durch die Lambdasonden (38, 40) in den beiden Fluten (14, 16) jeweils stromabwärts des zweiten Katalysators (22, 24) geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweils zweite Katalysator (22, 24) als Vier-Wege-Katalysator (42) ausgebildet ist, wobei der Brenner (26) aktiviert wird, um eine Regeneration des Partikelfilters des Vier-Wege-Katalysators (42) zu unterstützen.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) mit einer zweiflutig ausgebildeten Abgasanlage (12) und einem Brenner (26) über dessen Abluft beide Fluten (14, 16) der Abgasanlage (12) beheizbar sind, wobei in beiden Fluten (14, 16) jeweils ein erster Katalysator (18, 20) und ein zweiter Katalysator (22, 24) angeordnet sind, ferner mit einem Steuergerät (44), welches eingerichtet ist, um ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.