DE102017100892A1 - Regeneration of a particulate filter or four-way catalytic converter in an exhaust system of an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters oder eines Vier-Wege-Katalysators in einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, wobei ein Anstieg der Stickoxid-Emissionen während der Regeneration des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators verhindert oder zumindest minimiert werden soll.Es ist vorgesehen, dass in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors ein Partikelfilter oder ein Vier-Wege-Katalysator und ein NOx-Speicherkatalysator angeordnet sind, wobei die bei einem Magerbetrieb des Verbrennungsmotors zur Regeneration des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators auftretenden NOx-Emissionen im NOx-Speicherkatalysator zwischengespeichert werden und in einer späteren motorischen Fettphase der NOx-Speicherkatalysator wieder regeneriert wird.The invention relates to a method for the regeneration of a particulate filter or a four-way catalyst in an exhaust system of an internal combustion engine, wherein an increase in nitrogen oxide emissions during the regeneration of the particulate filter or the four-way catalyst should be prevented or at least minimized. It is provided that in the exhaust system of an internal combustion engine, a particulate filter or a four-way catalytic converter and a NOx storage catalytic converter are arranged, wherein the NOx emissions occurring in a lean operation of the internal combustion engine for the regeneration of the particulate filter or the four-way catalytic converter in the NOx Storage catalytic converter are cached and regenerated in a subsequent engine fat phase of the NOx storage catalyst.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters oder eines Vier-Wege-Katalysators in einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors.The invention relates to a device and a method for the regeneration of a particulate filter or a four-way catalytic converter in an exhaust system of an internal combustion engine.
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 Gesetzgebungsstufe EU6 wird für Ottomotoren ein Grenzwert für eine Partikelanzahl vorgeschrieben, der in vielen Fällen den Einsatz eines Ottopartikelfilters notwendig macht. 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 (λ=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 infrage. Bevorzugt wird bislang eine Zündwinkelverstellung in Richtung spät in Kombination mit einer Magerverstellung des Ottomotors angewandt, da dieses Verfahren ohne zusätzliche Bauteile auskommt und in den meisten Betriebspunkten des Ottomotors eine ausreichende Sauerstoffmenge liefern kann. Ferner wird angestrebt, die Katalysatoren im Abgaskanal des Verbrennungsmotors nach einem Kaltstart möglichst schnell auf eine Betriebstemperatur zu bringen, um möglichst schnell eine hohe Konvertierungsrate für schädliche Abgaskomponenten zu erreichen. Diese Magerverstellung des Verbrennungsmotors während der Regeneration des Partikelfilters kann jedoch dazu führen, dass es während der Regeneration des Partikelfilter zu einem signifikanten Anstieg der Stickoxid-Emissionen (NOx-Emissionen) kommt, da bei einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis im Abgas keine Komponenten wie Kohlenstoffmonoxid (CO) oder unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) mehr enthalten sind, mit denen auf dem Drei-Wege-Katalysator eine katalytische Reduktion der Stickoxid-Emissionen zu molekularem Stickstoff möglich ist.The continuous tightening of the exhaust emission legislation places high demands on the vehicle manufacturers, which are solved by appropriate measures for the reduction of the engine raw emissions and by a corresponding exhaust aftertreatment. With the introduction of the legislative level EU6, a limit value for gasoline engines is prescribed for a number of particles, which in many cases necessitates the use of an Otto particle filter. When driving, such a gasoline particulate filter is loaded with soot. So that the exhaust gas backpressure does not increase too much, this Otto particle filter must be regenerated continuously or periodically. In order to carry out a thermal oxidation of the soot retained in the Otto particle filter with oxygen, a sufficiently high temperature level in conjunction with simultaneously existing oxygen in the exhaust system of the gasoline engine is necessary. Since modern gasoline engines are normally operated without oxygen surplus with a stoichiometric combustion air ratio (λ = 1), additional measures are required. These come as measures, for example, a temperature increase by a Zündwinkelverstellung, a temporary lean adjustment of the gasoline engine, the injection of secondary air into the exhaust system or a combination of these measures in question. An ignition angle adjustment in the direction of late in combination with a lean adjustment of the gasoline engine is preferably used so far, since this method requires no additional components and can deliver a sufficient amount of oxygen in most operating points of the gasoline engine. Furthermore, the aim is to bring the catalysts in the exhaust passage of the internal combustion engine after a cold start as quickly as possible to an operating temperature in order to achieve as fast as possible a high conversion rate for harmful exhaust gas components. However, this lean adjustment of the internal combustion engine during the regeneration of the particulate filter can lead to a significant increase in nitrogen oxide (NOx) emissions during the regeneration of the particulate filter, since no components such as carbon monoxide (CO) are present in the exhaust gas at a lean of stoichiometric combustion air ratio. or unburned hydrocarbons (HC) are more, with which on the three-way catalyst, a catalytic reduction of nitrogen oxide emissions to molecular nitrogen is possible.
Aus der
Aus der
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Darüber hinaus sind Abgasnachbehandlungssysteme bekannt, bei denen die Temperatur des Partikelfilters durch motorische Maßnahmen, insbesondere durch eine Verstellung des Zündwinkels in Richtung „spät“ erhöht wird, bis die Regenerationstemperatur des Partikelfilters erreicht ist, und der zur Oxidation des im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußes benötigte Sauerstoff dem Abgaskanal über ein Sekundärluftsystem zugeführt wird. Dazu wird aber stets ein Sekundärluftsystem benötigt, was die Kosten für den Verbrennungsmotor deutlich erhöht.In addition, exhaust aftertreatment systems are known in which the temperature of the particulate filter is increased by engine measures, in particular by an adjustment of the ignition angle in the "late" direction until the Regeneration temperature of the particulate filter is reached, and the oxygen required for the oxidation of the retained particulate matter in the carbon black filter is supplied to the exhaust gas passage via a secondary air system. But this always requires a secondary air system, which significantly increases the cost of the internal combustion engine.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einer Abgasanlage ohne Sekundärluftsystem eine zumindest im Wesentlichen emissionsneutrale Regeneration des Partikelfilters zu ermöglichen und die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden.The invention is based on the object, in an exhaust system without secondary air system to allow at least substantially neutral emissions regeneration of the particulate filter and overcome the known from the prior art disadvantages.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, in dessen Abgasanlage ein Partikelfilter oder ein Vier-Wege-Katalysator angeordnet ist, und in dessen Abgasanlage stromaufwärts oder stromabwärts des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators ein NOx-Speicherkatalysator angeordnet ist, gelöst, welches folgende Schritte umfassend:
- - Betreiben des Verbrennungsmotors in einem Normalbetrieb mit stöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis, wobei die bei der Verbrennung entstehenden Rußpartikel in der Abgasanlage durch den Partikelfilter oder den Vier-Wege-Katalysator zurückgehalten werden,
- - Ermitteln eines Beladungszustandes des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators, wobei bei Überschreiten eines Schwellenwertes der Beladung des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators eine Regeneration eingeleitet wird,
- - Verstellen des Verbrennungsluftverhältnisses des Verbrennungsmotors von einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis auf ein überstöchiometrisches oder unterstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis, um dem Partikelfilter oder dem Vier-Wege-Katalysator den zur Oxidation des zurückgehaltenen Rußes notwendigen Sauerstoff zuzuführen, wobei
- - der NOx-Speicherkatalysator während der Regeneration des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators beladen oder regeneriert wird.
- Operating the internal combustion engine in a normal operation with a stoichiometric combustion air ratio, wherein the soot particles formed in the combustion are retained in the exhaust system by the particle filter or the four-way catalytic converter,
- Determining a loading state of the particulate filter or of the four-way catalytic converter, wherein regeneration is initiated when a threshold value of the loading of the particulate filter or the four-way catalytic converter is exceeded,
- Adjusting the combustion air ratio of the internal combustion engine from a stoichiometric combustion air ratio to a superstoichiometric or substoichiometric combustion air ratio to supply the particulate filter or the four-way catalyst with the oxygen necessary for oxidation of the retained soot;
- - The NOx storage catalyst is loaded or regenerated during the regeneration of the particulate filter or the four-way catalyst.
Bei einem solchen Verfahren kann auch während der Regeneration des Partikelfilters sichergestellt werden, dass eine effiziente Abgasreinigung gewährleistet ist und es insbesondere nicht zu einem Anstieg der Stickoxid-Emissionen kommt.In such a method, it can also be ensured during the regeneration of the particulate filter that efficient exhaust gas purification is ensured and, in particular, there is no increase in nitrogen oxide emissions.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterbildungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors möglich.The features listed in the dependent claims advantageous improvements and developments of the method specified in the independent claim for the exhaust aftertreatment of an internal combustion engine are possible.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der NOx-Speicherkatalysator in der Abgasanlage stromabwärts des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators angeordnet ist, wobei die bei einer Regeneration des Partikelfilters bei einem Magerbetrieb des Verbrennungsmotors auftretenden Stickoxide in dem NOx-Speicherkatalysator eingelagert werden und der NOx-Speicherkatalysator durch einen nachfolgenden fetten Betrieb des Verbrennungsmotors regeneriert wird. Durch eine Anordnung des NOx-Speicherkatalysators stromabwärts des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators können die bei einem Magerbetrieb des Verbrennungsmotors zur Regeneration des Vier-Wege-Katalysators oder des Partikelfilters auftretenden Stickoxide aus dem Abgas entfernt und somit ein Anstieg der Stickoxid-Emissionen stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators verhindert oder vermindert werden. Der NOx-Speicherkatalysator lässt sich dann in einem späteren Motorbetrieb mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftgemisch wieder regenerieren, ohne dass es bei der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators zu einem Anstieg der Stickoxidemissionen kommt.In a preferred embodiment of the invention, it is provided that the NOx storage catalyst is disposed in the exhaust system downstream of the particulate filter or the four-way catalytic converter, wherein occurring in a regeneration of the particulate filter in a lean operation of the internal combustion engine nitrogen oxides are stored in the NOx storage catalyst and the NOx storage catalyst is regenerated by a subsequent rich operation of the internal combustion engine. By arranging the NOx storage catalyst downstream of the particulate filter or the four-way catalyst, the nitrogen oxides occurring in a lean operation of the internal combustion engine for regenerating the four-way catalyst or the particulate filter can be removed from the exhaust gas and thus an increase in nitrogen oxide emissions downstream of the NOx storage catalyst can be prevented or reduced. The NOx storage catalytic converter can then be regenerated again in a later engine operation with a substoichiometric combustion air mixture without there being any increase in nitrogen oxide emissions in the regeneration of the NOx storage catalytic converter.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, das der Verbrennungsmotor zur Regeneration des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λE zwischen 1,01 und 1,20, besonders bevorzugt zwischen 1,07 und 1,09, betrieben wird. Durch eine Regeneration des Partikelfilters oder Vier-Wege-Katalysators bei einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors von 1,01 bis 1,20 wird zum einen genügend Sauerstoff zur Regeneration des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators bereitgestellt, zum anderen aber ein unkontrollierter Rußabbrand, der zu einer thermischen Bauteilschädigung führen kann, verhindert. Besonders bevorzugt ist dabei ein Bereich zwischen 1,07 und 1,09, da in diesem Bereich eine hinreichend hohe Regenerationsgeschwindigkeit erreicht wird und zum anderen die bei der Oxidation der Rußpartikel freigesetzte Wärme dazu führt, dass die Temperatur des Partikelfilters oder Vier-Wege-Katalysators im Wesentlichen konstant bleibt und es weder zu einer thermischen Schädigung der Abgaskomponente noch zu einem Abbruch der Regeneration durch einen Temperaturabfall unter die Regenerationstemperatur kommt. In a further preferred embodiment of the method is provided that the internal combustion engine for the regeneration of the particulate filter or the four-way catalyst with a superstoichiometric combustion air ratio λ E between 1.01 and 1.20, more preferably between 1.07 and 1.09 operated becomes. By a regeneration of the particulate filter or four-way catalyst at a superstoichiometric combustion air ratio of the internal combustion engine from 1.01 to 1.20 on the one hand sufficient oxygen for the regeneration of the particulate filter or the four-way catalyst is provided, on the other hand, an uncontrolled Rußabbrand, which can lead to a thermal component damage prevented. Particularly preferred is a range between 1.07 and 1.09, since in this area a sufficiently high regeneration rate is achieved and, secondly, the heat released in the oxidation of the soot particles causes the temperature of the particulate filter or four-way catalyst remains substantially constant and there is neither a thermal damage to the exhaust gas component nor to a termination of the regeneration by a temperature drop below the regeneration temperature.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass der NOx-Speicherkatalysator in der Abgasanlage stromaufwärts des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators angeordnet ist, wobei der Verbrennungsmotor zur Regeneration des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators mit einem von einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis abweichenden Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird. Durch eine Anordnung des NOx-Speicherkatalysators stromaufwärts des Partikelfilters ist eine Regeneration des Partikelfilters bei entsprechend hohen Abgastemperaturen sowohl bei einem unterstöchiometrischen als auch bei einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors möglich.According to an alternative embodiment of the method it is provided that the NOx storage catalyst is arranged in the exhaust system upstream of the particulate filter or the four-way catalyst, wherein the internal combustion engine for regenerating the particulate filter or the four-way catalyst with one of a stoichiometric combustion air ratio deviating combustion air ratio is operated. By a Arrangement of the NOx storage catalyst upstream of the particulate filter is a regeneration of the particulate filter with correspondingly high exhaust gas temperatures possible both at a stoichiometric and at a superstoichiometric combustion air ratio of the internal combustion engine.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird, wobei die bei der überstöchiometrischen Verbrennung auftretenden Stickoxidemissionen im NOx-Speicherkatalysator zurückgehalten werden und ein überstöchiometrisches Abgas den NOx-Speicherkatalysator durchdringt, um dem Partikelfilter oder dem Vier-Wege-Katalysator den zur Oxidation des zurückgehaltenen Rußes notwendigen Sauerstoff zuzuführen. Durch ein überstöchiometrisches, mageres Verbrennungsluftverhältnis ist eine direkte Regeneration des Partikelfilters möglich, wobei die während der mageren Verbrennung entstehenden Stickoxide-Emissionen im NOx-Speicherkatalysator zurückgehalten werden.In a preferred embodiment of the method it is provided that the internal combustion engine is operated with a superstoichiometric combustion air ratio, wherein the nitrogen oxide emissions occurring in the superstoichiometric combustion are retained in the NOx storage catalytic converter and a superstoichiometric exhaust gas passes through the NOx storage catalytic converter to the particle filter or the Way catalyst to supply the oxygen necessary for the oxidation of the retained carbon black. By means of a superstoichiometric, lean combustion air ratio, direct regeneration of the particulate filter is possible, with the nitrogen oxide emissions occurring during the lean combustion being retained in the NOx storage catalyst.
Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird, wobei der NOx-Speicherkatalysator regeneriert wird und bei seiner Regeneration Sauerstoff freisetzt, mit welchem der im Partikelfilter oder im Vier-Wege-Katalysator zurückgehaltene Ruß oxidiert wird. Bei einer Regeneration des NOx-Speicherkatalysators in einer Phase des überstöchiometrischen Motorbetriebs wird neben Stickstoffdioxid (NO2) auch molekularer Sauerstoff freigesetzt, welcher zur Regeneration des im Partikelfilter oder Vier-Wege-Katalysator zurückgehaltenen Rußes genutzt werden kann. Dabei können die freigesetzten Stickstoffdioxid-Emissionen mit den unverbrannten Kraftstoffbestandteilen, insbesondere mit den unverbrannten Kohlenwasserstoffen, in elementaren Stickstoff, Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid umgesetzt werden.Alternatively, it is advantageously provided that the internal combustion engine is operated with a substoichiometric combustion air ratio, wherein the NOx storage catalyst is regenerated and releases oxygen during its regeneration, with which the soot retained in the particle filter or in the four-way catalyst is oxidized. In a regeneration of the NOx storage catalyst in a phase of superstoichiometric engine operation, in addition to nitrogen dioxide (NO 2 ) also molecular oxygen is released, which can be used to regenerate the retained in the particulate filter or four-way catalyst soot. The released nitrogen dioxide emissions with the unburned fuel constituents, in particular with the unburned hydrocarbons, can be converted into elemental nitrogen, water vapor and carbon dioxide.
In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Abgastemperatur zur Regeneration des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators durch innermotorische Maßnahmen angehoben wird. Zur Regeneration des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators ist neben dem Vorliegen von Restsauerstoff im Abgaskanal eine zur Oxidation des Rußes notwendige Temperatur notwendig. Sollte die Abgastemperatur bei einem unveränderten Betrieb des Verbrennungsmotors nicht zu dieser notwendigen Bauteiltemperatur des Partikelfilters oder Vier-Wege-Katalysators führen, so kann die Abgastemperatur durch innermotorische Maßnahmen angehoben werden, um die Regenerationstemperatur zu erreichen.In a further improvement of the method is provided that the exhaust gas temperature is raised for the regeneration of the particulate filter or the four-way catalyst by internal engine measures. For the regeneration of the particulate filter or the four-way catalyst, in addition to the presence of residual oxygen in the exhaust gas channel, a temperature necessary for the oxidation of the soot is necessary. If the exhaust gas temperature does not lead to this necessary component temperature of the particulate filter or four-way catalytic converter with an unchanged operation of the internal combustion engine, the exhaust gas temperature can be raised by internal engine measures to achieve the regeneration temperature.
Bevorzugt ist dabei, wenn die innermotorischen Maßnahmen eine Verstellung des Zündwinkels in Richtung „spät“ umfassen. Durch eine Verstellung des Zündwinkels des Verbrennungsmotors in Richtung „spät“ kann eine Erhöhung der Abgastemperatur erreicht werden, wobei parallel der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors verschlechtert wird und die Maßnahme auf den Zeitraum der Regeneration begrenzt bleiben sollte. Diese Verstellung in Richtung „spät“ führt nicht nur zu einem Mehrverbrauch, sondern kann auch in unerwarteter, vorteilhafter Art zu einer Senkung der Rohemissionen an Stickoxiden führen.It is preferred if the internal engine measures include an adjustment of the ignition angle in the "late" direction. By adjusting the ignition angle of the internal combustion engine in the direction of "late", an increase in the exhaust gas temperature can be achieved, while the efficiency of the internal combustion engine is deteriorated in parallel and the measure should remain limited to the period of regeneration. This adjustment in the direction of "late" not only leads to an increase in consumption, but can also lead to a reduction in the raw emissions of nitrogen oxides in an unexpected, advantageous manner.
Alternativ ist vorgesehen, dass eine erste Gruppe von Brennräumen des Verbrennungsmotors mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis und eine zweite Gruppe von Brennräumen mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben werden, wobei eine exotherme Umsetzung der unverbrannten Kraftstoffbestandteile in der Abgasanlage stromaufwärts des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators erfolgt. Diese exotherme Umsetzung der unverbrannten Kraftstoffkomponenten im Abgaskanal führt zu einem Anstieg der Abgastemperatur, wodurch der Partikelfilter oder der Vier-Wege-Katalysator auf seine zur Regeneration notwendige Temperatur aufgeheizt werden kann. Alternativ ist auch eine Aufheizung des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators durch eine Nacheinspritzung möglich.Alternatively, it is provided that a first group of combustion chambers of the internal combustion engine with a superstoichiometric combustion air ratio and a second group of combustion chambers are operated with a substoichiometric combustion air ratio, wherein an exothermic reaction of the unburned fuel components in the exhaust system upstream of the particulate filter or the four-way catalyst takes place , This exothermic reaction of the unburned fuel components in the exhaust passage leads to an increase in the exhaust gas temperature, whereby the particulate filter or the four-way catalyst can be heated to its temperature necessary for regeneration. Alternatively, a heating of the particulate filter or the four-way catalyst by post-injection is possible.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einer Abgasanlage, in der ein Partikelfilter oder ein Vier-Wege-Katalysator und ein NOX-Speicherkatalysator angeordnet sind, sowie mit einem Steuergerät mit einem maschinenlesbaren Programmcode gelöst, wobei das Steuergerät bei einer Ausführung des Programmcodes dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Durch eine solche Abgasnachbehandlungsvorrichtung ist eine besonders effiziente Abgasreinigung auch in Betriebsphasen, insbesondere bei einer Regeneration des Partikelfilters, möglich, in denen es bei aus dem Stand der Technik bekannten Abgasanlagen zu einem Anstieg der Emissionen kommen kann.According to the invention, a device for exhaust aftertreatment of an internal combustion engine with an exhaust system, in which a particulate filter or a four-way catalytic converter and a NOX storage catalytic converter are arranged, as well as with a control device with a machine-readable program code is achieved, wherein the control device in an execution of the program code to is set up to carry out a method according to the invention. By means of such an exhaust gas aftertreatment device, particularly efficient exhaust gas purification is also possible in operating phases, in particular during regeneration of the particulate filter, in which an increase in emissions may occur in exhaust systems known from the prior art.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Partikelfilter oder der Vier-Wege-Katalysator motornah als erste Komponente der Abgasnachbehandlung angeordnet ist. Durch eine motornahe Anordnung des Partikelfilters oder Vier-Wege-Katalysators kann die Regenerationstemperatur von mindestens 550°C vergleichsweise einfach erreicht werden. Da die maximale Speicherfähigkeit von NOx-Speicherkatalysatoren in einem Temperaturbereich von ca. 250 °C bis 480 °C, und somit unterhalb der Regenerationstemperatur des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators, liegt, ist es vorteilhaft, wenn das heiße Abgas zunächst den Partikelfilter oder Vier-Wege-Katalysator und dann den NOx-Speicherkatalysator durchströmt, um eine optimale Abgasnachbehandlung und geringstmögliche Emissionen zu erreichen.In a preferred embodiment of the invention it is provided that the particle filter or the four-way catalyst is arranged close to the engine as the first component of the exhaust aftertreatment. By a close-coupled arrangement of the particulate filter or four-way catalyst, the regeneration temperature of at least 550 ° C can be achieved comparatively easily. Since the maximum storage capacity of NOx storage catalysts in a temperature range of about 250 ° C to 480 ° C, and thus below the regeneration temperature of the particulate filter or the four-way catalyst, It is advantageous if the hot exhaust gas first flows through the particle filter or four-way catalytic converter and then through the NOx catalytic converter in order to achieve optimum exhaust gas aftertreatment and the lowest possible emissions.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn zwischen dem Partikelfilter oder dem Vier-Wege-Katalysator und dem NOx-Speicherkatalysator ein Drei-Wege-Katalysator angeordnet ist. Durch einen zwischengeschalteten Drei-Wege-Katalysator, insbesondere in einer Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges, kann eine effiziente Abgasreinigung erreicht werden, wobei die Abgastemperatur vor dem NOx-Speicherkatalysator abgesenkt wird, um eine maximale Leistungsfähigkeit des NOx-Speicherkatalysators zu erreichen. Insbesondere weist ein solcher Drei-Wege-Katalysator eine begrenzte Sauerstoffspeicherfähigkeit auf, um während der Regeneration des Partikelfilters auftretende Sekundäremissionen, insbesondere Kohlenmonoxid, umzusetzen.It is particularly preferred if a three-way catalytic converter is arranged between the particle filter or the four-way catalytic converter and the NOx storage catalytic converter. By means of an interposed three-way catalytic converter, in particular in an underfloor position of a motor vehicle, an efficient exhaust gas purification can be achieved, wherein the exhaust gas temperature is lowered before the NOx storage catalytic converter in order to achieve maximum performance of the NOx storage catalytic converter. In particular, such a three-way catalyst has a limited oxygen storage capacity in order to convert occurring during the regeneration of the particulate filter secondary emissions, in particular carbon monoxide.
In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der NOx-Speicherkatalysator in der Abgasanlage stromaufwärts des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators angeordnet ist. Wird der Partikelfilter oder der Vier-Wege-Katalysator extern beheizt, so kann die Temperatur des Partikelfilters im Wesentlichen unabhängig von der Abgastemperatur des Verbrennungsmotors gesteigert werden. Somit können auch bei einer solchen Anordnung für den NOx-Speicherkatalysator und für den Partikelfilter beziehungsweise Vier-Wege-Katalysator ideale thermische Bedingungen erzielt werden, um eine möglichst effiziente Abgasnachbehandlung zu ermöglichen.In a further, preferred embodiment of the invention, it is provided that the NOx storage catalytic converter is arranged in the exhaust system upstream of the particle filter or the four-way catalytic converter. If the particle filter or the four-way catalyst is heated externally, the temperature of the particle filter can be increased substantially independently of the exhaust gas temperature of the internal combustion engine. Thus, even with such an arrangement for the NOx storage catalyst and for the particulate filter or four-way catalyst ideal thermal conditions can be achieved to allow the most efficient exhaust aftertreatment.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn dem Partikelfilter oder dem Vier-Wege-Katalysator ein Drei-Wege-Katalysator nachgeschaltet ist. Neben der bekannten Abgasreinigung durch den Drei-Wege-Katalysator im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors kann die Anordnung eines Drei-Wege-Katalysators im Abgaskanal stromabwärts des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators weitere Vorteile haben. In Abhängigkeit des Restsauerstoffanteils, der Temperatur und des Drucks in der Abgasanlage ist es möglich, dass der im Partikelfilter oder Vier-Wege-Katalysator zurückgehaltene Ruß nur unvollständig oxidiert wird und dabei Sekundäremissionen an Kohlenmonoxid auftreten. Durch einen Drei-Wege-Katalysator können diese Kohlenmonoxid-Emissionen in Kohlenstoffdioxid konvertiert und somit die Emissionen an Kohlenstoffmonoxid reduziert werden.It is particularly preferred if the particle filter or the four-way catalyst is followed by a three-way catalyst. In addition to the known exhaust gas purification by the three-way catalyst during normal operation of the internal combustion engine, the arrangement of a three-way catalyst in the exhaust duct downstream of the particulate filter or the four-way catalyst can have further advantages. Depending on the residual oxygen content, the temperature and the pressure in the exhaust system, it is possible that the soot retained in the particulate filter or four-way catalyst is oxidized only incompletely and thereby secondary emissions of carbon monoxide occur. Through a three-way catalyst, these carbon monoxide emissions can be converted to carbon dioxide, thus reducing carbon monoxide emissions.
Gemäß einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass der NOx-Speicherkatalysator und der Partikelfilter oder der NOx-Speicherkatalysator und der Vier-Wege-Katalysator motornah angeordnet sind. Durch eine motornahe Anordnung beider Abgasnachbehandlungskomponenten können sowohl der NOx-Speicherkatalysator als auch der Partikelfilter oder der Vier-Wege-Katalysator vergleichsweise schnell auf ihre idealen Betriebstemperaturen gebracht werden, sodass innermotorische Maßnahmen zur Temperaturerhöhung nur für eine vergleichsweise kurze Zeit notwendig sind. Dadurch kann der Mehrverbrauch während einer solchen Heizphase in geringen Grenzen gehalten werden.According to a further improvement of the invention, it is provided that the NOx storage catalytic converter and the particle filter or the NOx storage catalytic converter and the four-way catalytic converter are arranged close to the engine. By arranging both exhaust aftertreatment components close to the engine, both the NOx storage catalyst and the particle filter or the four-way catalyst can be brought to their ideal operating temperatures comparatively quickly so that internal engine measures for increasing the temperature are only necessary for a comparatively short time. As a result, the additional consumption during such a heating phase can be kept within narrow limits.
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:
-
1 eine erfindungsgemäße Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, mit der die Emissionen während der Regeneration des Partikelfilters in einem erfindungsgemäßen Verfahren reduziert werden können; -
2 eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasanlage, bei der anstelle eines Partikelfilters motornah ein Vier-Wege-Katalysator angeordnet ist; -
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, mit der die Emissionen während der Regeneration des Partikelfilters in einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren reduziert werden können; und -
4 ein alternatives Ausführungsbeispiel der in3 dargestellten Abgasanlage, bei welcher der Partikelfilter durch einen Vier-Wege-Katalysator ersetzt ist.
-
1 an exhaust system according to the invention of an internal combustion engine, with which the emissions during the regeneration of the particulate filter can be reduced in a method according to the invention; -
2 an alternative embodiment of the exhaust system according to the invention, in which instead of a particulate filter close to the engine, a four-way catalyst is arranged; -
3 a further embodiment of an exhaust system according to the invention of an internal combustion engine, with which the emissions during the regeneration of the particulate filter can be reduced in a further inventive method; and -
4 an alternative embodiment of the in3 illustrated exhaust system in which the particulate filter is replaced by a four-way catalyst.
Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu
Im Betrieb des Verbrennungsmotors
Die bei diesem überstöchiometrischen Betrieb auftretenden Stickoxide (NOx) werden in dem NOx-Speicherkatalysator 18 eingelagert. Da auch die Speicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators 18 begrenzt ist, muss auch dieser periodisch durch einen unterstöchiometrischen Betrieb des Verbrennungsmotors
In
Bei einem Magerbetrieb des Verbrennungsmotors
In
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Verbrennungsmotorinternal combustion engine
- 1212
- Abgasanlageexhaust system
- 1414
- Partikelfilterparticulate Filter
- 1616
- Drei-Wege-KatalysatorThree-way catalytic converter
- 1818
- NOx-SpeicherkatalysatorNOx storage catalytic converter
- 2020
- Abgaskanalexhaust duct
- 2222
- Vier-Wege-KatalysatorFour-way catalyst
- 2424
- Steuergerätcontrol unit
- 2626
- erste Lambdasondefirst lambda probe
- 2828
- zweite Lambdasondesecond lambda probe
- 3030
- dritte Lambdasondethird lambda probe
- 3232
- Auslassoutlet
- λE λ E
- Verbrennungsluftverhältnis des VerbrennungsmotorsCombustion air ratio of the internal combustion engine
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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