DE102017102327A1

DE102017102327A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102017102327A1
Application number: DE102017102327.5A
Authority: DE
Inventors: Stefan PAUKNER; Lars Schlüter; Markus Paulovsky; Falk-Christian Baron von Ceumern-Lindenstjerna
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-02-07
Filing date: 2017-02-07
Publication date: 2018-08-09
Anticipated expiration: 2037-02-08
Also published as: DE102017102327B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors. Dabei wird das Abgas des Verbrennungsmotors durch einen Drei-Wege-Katalysator und ein Adsorptionselement zur Aufnahme von unverbrannten Kohlenwasserstoffen geleitet. Solange der Drei-Wege-Katalysator noch nicht seine Light-Off-Temperatur erreicht hat und noch nicht effizient zur Konvertierung der im Abgas enthaltenen Schadstoffe beitragen kann, werden die insbesondere nach einem Kaltstart entstehenden unverbrannten Kohlenwasserstoffe in dem Adsorptionselement zurückgehalten. Das Adsorptionselement weist eine katalytische Beschichtung zur Umsetzung der zurückgehaltenen unverbrannten Kohlenwasserstoffe auf und kann diese in Kohlendioxid und Wasserdampf konvertieren, wenn die Temperatur das Abgases eine Desorptionstemperatur übersteigt, bei der die im Adsorptionselement zurückgehaltenen unverbrannten Kohlenwasserstoffe wieder freigesetzt werden.Es ist vorgesehen, dass in einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors ein Drei-Wege-Katalysator und stromab des Drei-Wege-Katalysators ein Adsorptionselement zur zumindest temporären Zwischenspeicherung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen angeordnet ist, wobei die Desorptionstemperatur des Adsorptionselements unterhalb einer Light-Off-Temperatur einer drei-Wege-wirksamen katalytischen Beschichtung liegt.Die Erfindung betrifft ferner ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor, wobei in der Abgasanlage des Hybridfahrzeuges eine solche Abgasnachbehandlungsvorrichtung angeordnet ist.

Description

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. Um die nicht vollständig vermeidbaren Rohemissionen effektiv nachmotorisch umsetzen zu können, werden in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors mit Edelmetall beschichtete Katalysatoren verbaut. Damit diese Katalysatoren die Schadstoffe umsetzen können, ist ein minimales Temperaturniveau des Abgases und des Katalysators notwendig. Um den Katalysator nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors möglichst schnell auf eine Betriebstemperatur zu bringen, werden motorische Heizmaßnahmen wie eine Verstellung des Zündwinkels in Richtung „spät“ oder ein unterstöchiometrischer Betrieb des Verbrennungsmotors unter gleichzeitiger Einbringung von Sekundärluft genutzt. Um noch mehr Wärmeenergie gezielt in die Abgasanlage einzubringen, ist es möglich, den Katalysator elektrisch zu beheizen. Dadurch können die Emissionen bereits in der Heizphase des Katalysators deutlich reduziert werden. Solange die zur Umsetzung der Abgaskomponenten notwendige Temperatur noch nicht erreicht ist, verlassen die gasförmigen Emissionen unkonvertiert die Abgasanlage. Eine Möglichkeit, bis zum Erreichen der sogenannten Light-Off-Temperatur des Katalysators die unverbrannten Kohlenwasserstoffe im Abgaskanal zwischenzuspeichern, ist ein sogenannter HC-Adsorber. Mit Einführung der Euro 6 Norm wird zusätzlich ein Partikelgrenzwert für Ottomotoren vorgeschrieben. Dies kann dazu führen, dass in einigen Modellen der Einsatz eines Partikelfilters notwendig wird.
Aus der DE10 2010 056 281 A1 ist ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor bekannt, in dessen Abgasanlage parallel ein HC-Adsorber und ein Katalysator angeordnet sind, wobei das Abgas in einer ersten Betriebssituation, insbesondere nach einem Kaltstart über den HC-Adsorber gleitet wird und eine Abgasklappe nach Erreichen einer Light-Off-Temperatur des Katalysators derart umgestellt wird, dass der Abgasstrom an dem HC-Adsorber vorbei und durch den Katalysator geleitet wird. Auch wenn durch eine solche Abgasanlage die Kaltstart-Emissionen signifikant verringert werden können, so ist eine solche Anlage jedoch vergleichsweise aufwendig und teuer, da anstelle der bekannten Drei-Wege-Katalysatoren aufwendige Spezialkatalysatoren mit einem Bypass und einem in dem Bypass angeordneten Adsorptionsmittel benötigt werden. Alternativ ist ein zusätzlicher Abgaskanal notwendig, in dem der HC-Adsorber angeordnet ist, wobei von Zeit zu Zeit eine Regeneration des HC-Adsorber notwendig ist, wozu weitere Bauteile notwendig sind.
Aus der EP 1 270 887 A2 ist ein Verbrennungsmotor mit einem Drei-Wege-Katalysator und mehreren stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators im Abgaskanal angeordneten HC-Adsorbern bekannt, jedoch ist auch diese Lösung vergleichsweise aufwendig und teuer. Dabei führt die Mehrzahl von HC-Adsorbern zudem zu einer Erhöhung des Abgasgegendrucks, was zu einem Mehrverbrauch des Verbrennungsmotors führen kann.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine einfache und kostengünstige Abgasnachbehandlungsvorrichtung vorzuschlagen, mit der die Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, insbesondere nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors oder nach einem Neustart des Verbrennungsmotors nach einem längeren, rein elektrischen Betrieb eines Hybridfahrzeuges, reduziert werden können, solange der oder die Katalysatoren noch nicht ihre Light-off-Temperatur erreicht haben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einer Abgasanlage, in der in Strömungsrichtung eines Abgases durch die Abgasanlage einem ersten Drei-Wege-Katalysator ein Adsorptionselement zur zumindest temporären Zurückhaltung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen nachgeschaltet ist, gelöst, welches folgende Schritte umfasst:

- Start des Verbrennungsmotors, wobei die unverbrannten Kohlenwasserstoffe den ersten Drei-Wege-Katalysator passieren und in dem Adsorptionselement zurückgehalten werden,
- Aufheizen des ersten Drei-Wege-Katalysators auf eine Light-off-Temperatur durch den Abgasstrom des Verbrennungsmotors,
- Aufheizen des Adsorptionselements auf eine Regenerationstemperatur, bei der die in dem Adsorptionselement zurückgehaltenen, unverbrannten Kohlenwasserstoffe desorbieren, und
- Konvertieren der im Adsorptionselement zurückgehaltenen, unverbrannten Kohlenwasserstoffe in Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf an einer katalytisch wirksamen Oberfläche des Adsorptionselements oder einem dem Adsorptionselement nachgeschalteten Katalysator.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine signifikante Reduzierung der Kohlenwasserstoff-Emissionen des Verbrennungsmotors, wenn der Drei-Wege-Katalysator noch nicht seine Light-off Temperatur erreicht hat und somit eine effiziente Abgasreinigung durch den Drei-Wege-Katalysator noch nicht stattfindet. Unter einer Light-off-Temperatur ist in diesem Zusammenhang eine Temperatur des Katalysators zu verstehen, bei der 50% der limitierten Abgaskomponenten konvertiert werden. Dabei ist der erste Drei-Wege-Katalysator vorzugsweise motornah angeordnet, um eine Aufheizung des Drei-Wege-Katalysators nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors zu begünstigen. Unter einer motornahen Anordnung ist in diesem Zusammenhang eine Anordnung des Drei-Wege-Katalysators von weniger als 60 cm, besonders bevorzugt von weniger als 30 cm, nach einem Auslass des Verbrennungsmotors zu verstehen. Das erfindungsgemäße Verfahren wird eingeleitet, wenn der Drei-Wege-Katalysator noch keine ausreichende Temperatur zur Konvertierung der in der Abgasgesetzgebung limitierten Abgaskomponenten hat, um die Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen bei kaltem Katalysator zu reduzieren.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterbildungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors möglich.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses des Verbrennungsmotors derart erfolgt, dass das Abgasluftverhältnis stromabwärts des Adsorptionselements stöchiometrisch ist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die unverbrannten Kohlenwasserstoffe entweder bei kaltem Katalysator in dem Adsorptionselement eingespeichert werden oder bei heißem Abgas aus dem Adsorptionselement desorbierten unverbrannten Kohlenwasserstoffe entsprechend katalytisch umgesetzt werden.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Verbrennungsmotor nach einem Kaltstart oder einem Neustart mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird und bei Erreichen einer Desorptionstemperatur des Adsorptionselements mit einem überstöchiometrischen, mageren Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird. Das erfindungsgemäße Verfahren schlägt vor, dass das Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors durch eine Lambdasonde am oder stromabwärts des Adsorptionselements geregelt wird und auf einen mageren Motorbetrieb verstellt wird, wenn der Sauerstoffspeicher des Adsorptionselements entleert ist, um ein Abgasluftverhältnis stromabwärts des Adsorptionselements konstant bei λ_A=1 zu halten. Damit wird eine vollständige und kontinuierliche Konvertierung der Emissionen gewährleistet. Ist die Desorption der im Adsorptionselement eingespeicherten unverbrannten Kohlenwasserstoffe nahezu abgeschlossen, erkennt die Lambdasonde am oder stromab des Adsorptionselements dies durch eine Verschiebung in Richtung mager. Ab diesem Zeitpunkt wird die Magerverstellung des Verbrennungsmotors zurückgenommen, damit sich im Abgaskanal stromabwärts des Adsorptionselements weiterhin ein stöchiometrisches Abgas einstellt.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Desorptionstemperatur des Adsorptionselements oberhalb der Light-off-Temperatur der katalytischen Beschichtung des Adsorptionselements oder des zweiten Drei-Wege-Katalysators liegt, um ein Entweichen der im Adsorptionselement eingespeicherten unverbrannten Kohlenwasserstoffe ohne eine entsprechende nachfolgende Konvertierung zu vermeiden. So ist sichergestellt, dass bei einer Desorption der unverbrannten Kohlenwasserstoffe diese an der katalytisch wirksamen Oberfläche des Adsorptionselements oder einem nachfolgenden Katalysator umgesetzt werden.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, umfassend eine Abgasanlage, in der in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Abgaskanal einem ersten Drei-Wege-Katalysator ein Adsorptionselement nachgeschaltet ist, vorgeschlagen, wobei ein Steuergerät des Verbrennungsmotors eingerichtet ist, um ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Abgasnachbehandlung durchzuführen. Durch eine solche Vorrichtung kann auf einfache und kostengünstige Art und Weise ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Abgasnachbehandlung durchgeführt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Abgasnachbehandlungsvorrichtung ist vorgesehen, dass das Adsorptionselement eine katalytische drei-Wege-wirksame Beschichtung und einen Sauerstoffspeicher aufweist. Dadurch kann neben dem vorgeschalteten Drei-Wege-Katalysator auf weitere Katalysatoren in der Abgasanlage verzichtet werden, wodurch die Abgasanlage vergleichsweise kostengünstig ausgeführt werden kann.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Speicherkapazität des Sauerstoffspeichers geringer ist als die Menge der zur vollständigen Konvertierung der maximal im Adsorptionselement eingespeicherten Menge an unverbrannten Kohlenwasserstoffen notwendigen Sauerstoffmenge. Dabei sollte die Sauerstoffspeicherfähigkeit gering ausfallen, um eine On-Board-Diagnose des Katalysators zu ermöglichen. Ziel ist es, die Speicherkapazität des Adsorptionselements möglichst groß auszulegen, um eine größtmögliche Menge an unverbrannten Kohlenwasserstoffen zwischenspeichern zu können. Da die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Drei-Wege-Katalysators temperaturabhängig ist, sollte dieser nur kurzfristig zur Bereitstellung eines stöchiometrischen Abgases dienen und der Sauerstoffgehalt im Abgas anschließend durch motorische Maßnahme angepasst werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Lambdasonde in das Adsorptionselement integriert ist. Dabei ist die Lambdasonde vorzugsweise im letzten Drittel des Adsorptionsmittels angeordnet, um eine stromaufwärts der Lambdasonde erfolgende Konvertierung von Kohlenwasserstoffen mit zu erfassen und somit ein möglichst exaktes Ergebnis zu liefern.
In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Drei-Wege-Katalysator oder ein weiterer, stromabwärts des Adsorptionselements angeordneter Katalysator als ein Partikelfilter mit einer drei-Wege-wirksamen katalytischen Beschichtung ausgebildet ist. Durch einen Partikelfilter mit einer drei-Wege-wirksamen katalytischen Beschichtung können zusätzlich zu den limitierten gasförmigen Abgasbestandteilen auch die bei der Verbrennung auftretenden Rußpartikel aus dem Abgasstrom herausgefiltert werden. Somit ist eine nochmals verbesserte Abgasreinigung möglich.
Erfindungsgemäß wird ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor vorgeschlagen, wobei in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung angeordnet ist. Gerade bei Hybridfahrzeugen ergeben sich häufig Betriebszustände, wie beispielsweise im Stopp- and Go-Verkehr, im Stadtverkehr oder bei kurzen, überwiegend elektrischen Fahrten, in denen die Katalysatoren in der Abgasanlage nicht die zur wirksamen Konvertierung der limitierten Abgaskomponenten notwendige Temperatur erreichen. Diese Temperatur kann, wie eingangs beschrieben, durch ein Beheizen der Katalysatoren angehoben werden, jedoch erfordert ein solches Beheizen zusätzliche Energie, welche den Wirkungsgrad des Hybridfahrzeuges und somit die Reichweite reduziert. Durch eine erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung können auch bei niedrigen Lasten unverbrannte Kohlenwasserstoffe wirksam aus dem Abgas des Verbrennungsmotors entfernt werden, ohne dass zusätzliche Energie zum Aufheizen von Katalysatoren durch motorische Maßnahmen oder entsprechende elektrische Zusatzheizelemente benötigt werden.
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 einen Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor, wobei in dem Abgaskanal des Verbrennungsmotors ein Drei-Wege-Katalysator und ein dem Drei-Wege-Katalysator nachgeschaltetes Adsorptionselement zum Zurückhalten von unverbrannten Kohlenwasserstoffen angeordnet ist;
2 ein Verfahrensschaubild zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, in dessen Abgaskanal ein Drei-Wege-Katalysator angeordnet ist;
3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors; und
4 eine weitere, erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors.

1 zeigt exemplarisch einen Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges 1 mit einem Verbrennungsmotor 10 und einem Elektromotor 34, welche über jeweils eine Kupplung 36, 38 mit einem Getriebe 40 verbunden sind. Der Verbrennungsmotor 10 und der Elektromotor 34 sind dabei vorzugsweise quer zur Fahrtrichtung des Hybridfahrzeuges 1 in einem Motorraum im Vorderwagen des Hybridfahrzeuges 1 angeordnet. Alternativ können der Verbrennungsmotor 10 und der Elektromotor 34 auch längs zur Fahrtrichtung angeordnet sein. Zwischen dem Verbrennungsmotor 10 und dem Getriebe 40 ist eine erste Kupplung 36 angeordnet, über welche der Verbrennungsmotor 10 mit dem Getriebe 40 mechanisch verbunden werden kann. Diese erste Kupplung 36 kann sowohl als einfache Schaltkupplung als auch als, vorzugsweise automatisierte, Doppelkupplung ausgebildet sein. Zwischen dem Getriebe 40 und dem Elektromotor 34 ist eine weitere Kupplung 38 vorgesehen, welche eine Ankopplung beziehungsweise Abkopplung des Elektromotors 34 ermöglicht. Alternativ kann das erfindungsgemäße Verfahren auch an einem Kraftfahrzeug mit konventionellen Antrieb ausschließlich durch einen Verbrennungsmotor 10 durchgeführt werden.
Im Fahrzeugheck sind ein Tank 42 für den Verbrennungsmotor 10 und eine Hochvoltbatterie 44 für den Elektromotor 34 angeordnet, um eine gleichmäßige Gewichtsverteilung zwischen der ersten Antriebsachse 46, vorzugsweise der Vorderachse des Hybridfahrzeuges 1 und der zweiten Achse 48, vorzugsweise der Hinterachse, zu erzielen. Alternativ können der Tank 42 und/oder die Hochvoltbatterie 44 auch an anderen Positionen des Hybridfahrzeuges 1 angeordnet werden. Der Tank 42 ist über eine Kraftstoffleitung 68 mit einem nicht dargestellten Einspritzsystem des Verbrennungsmotors 10 verbunden, wobei der Kraftstoff mittels einer Kraftstoffpumpe 66 aus dem Tank 42 zum Einspritzsystem gefördert wird.
Der Verbrennungsmotor 10 weist eine Luftversorgung 50 auf, in welcher in Strömungsrichtung der Frischluft ein Luftfilter 52 und stromabwärts des Luftfilters 52 ein Luftmassenmesser 58 angeordnet sind. Alternativ kann der Luftmassenmesser 58, insbesondere ein Heißfilmluftmassenmesser, auch in den Luftfilter 52 integriert sein. Stromabwärts des Luftmassenmessers 58 ist eine Drosselklappe 54 angeordnet, mit welcher die Luftzufuhr zu den Brennräumen des Verbrennungsmotors 10 gesteuert werden kann. Ferner kann in der Luftversorgung 50 ein Kompressor 56 oder ein Verdichter eines Abgasturboladers angeordnet sein. In einer vereinfachten Form kann der Luftmassenmesser 58 auch entfallen.
Der Elektromotor 34 und der Verbrennungsmotor 10 sind über einen gemeinsamen Antriebsstrang 60 miteinander verbindbar, wobei die Verbindung durch die Kupplungen 36 und 38 hergestellt beziehungsweise unterbunden werden kann. Durch das Schließen nur einer der Kupplungen 36 oder 38 kann das Hybridfahrzeug 1 wahlweise ausschließlich elektrisch durch den Elektromotor 34 oder ausschließlich mit dem Verbrennungsmotor 10 betrieben werden. Sind beide Kupplungen 36 und 38 geschlossen, so kann ein Boost-Betrieb mit beiden Antriebsaggregaten 10, 34, eine Rekuperation, also ein Aufladen der Hochvoltbatterie 44 des Elektromotors 34, oder ein elektrischer Bremsbetrieb durchgeführt werden. Das Getriebe 40 ist mit einem Differenzial verbunden, welches über Antriebswellen die Räder der ersten Antriebsachse 46, insbesondere der Vorderachse, antreibt.
Der Verbrennungsmotor 10 weist eine Abgasanlage 12 auf, in welchem ein Drei-Wege-Katalysator 14 angeordnet ist. Stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 14 ist in der Abgasanlage 12 ein Adsorptionselement 16 zur zumindest zeitweisen Zurückhaltung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen angeordnet. Stromabwärts des Adsorptionselements 16 kann ein weiterer Drei-Wege-Katalysator 32 oder ein Partikelfilter 24 mit einer drei-Wege-wirksamen, katalytischen Beschichtung 24 angeordnet sein. Zur Steuerung des Verbrennungsmotors 10 und des Elektromotors 34 ist ein Steuergerät 22 vorgesehen, welches über erste Signalleitungen 62 mit dem Verbrennungsmotor 10 und über zweite Signalleitungen 64 mit dem Elektromotor 34 verbunden ist.
Im Normalbetrieb wird das Hybridfahrzeug 1 in einem Hybridmodus betrieben, in dem das Fahrerwunschmoment nach einem bestimmten Antriebsmotor 10, 34 durch das Steuergerät 22 an den Verbrennungsmotor 10, den Elektromotor 34 oder beide Motoren 10, 34 weitergegeben wird. Die im Steuergerät 22 abgelegte Betriebsstrategie des Hybridantriebs gibt vor, auf welche Art und Weise der Fahrerwunsch erfüllt wird. Dabei kann das Antriebsmoment entweder vollständig durch den Elektromotor 34 bereitgestellt werden, durch eine Aufteilung zwischen Elektromotor 34 und Verbrennungsmotor 10 erfolgen oder vollständig durch den Verbrennungsmotor 10 erfolgen. Im Hybridbetrieb ist es zudem möglich, dass der Verbrennungsmotor 10 mehr Drehmoment erzeugt, als zum Antrieb des Kraftfahrzeuges notwendig ist, wobei das zusätzliche Drehmoment durch die Ankupplung des Elektromotors 34 über die Kupplung 38 genutzt wird, um die Hochvoltbatterie 44 des Elektromotors 34 zu laden.
Die Abgasanlage 12 des Verbrennungsmotors 10 ist in 3 nochmals dargestellt. Dabei ist in der Abgasanlage 12 stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors 10 und stromaufwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 14 eine erste Lambdasonde 26 und stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 14 eine zweite Lambdasonde 28 angeordnet. Das Adsorptionselement 16 weist eine Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC mit einem Sauerstoffspeicher 20 auf, welcher über die gesamte Länge des Adsorptionselements 16 ausgebildet ist. Das Adsorptionselement 16 ist vorzugsweise als Lamdasondenkatalysator ausgeführt und weist eine drei-Wege-wirksame katalytische Beschichtung 18 auf. In dem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch die Abgasanlage 12 hinteren Teil des Adsorptionselements 16 ist eine dritte Lambdasonde 30 angeordnet.
In 2 sind der Temperaturverlauf, der Verlauf der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC), sowie das Luftverhältnis an mehreren Stellen der Abgasanlage 12 dargestellt. Zu einem Zeitpunkt I wird der Verbrennungsmotor 10 gestartet, wobei sich der Drei-Wege-Katalysator 14 zu einem Zeitpunkt II auf eine Light-off-Temperatur T_L des Drei-Wege-Katalysators 14 aufheizt. Im weiteren Betrieb des Verbrennungsmotors 10 erwärmen sich der Drei-Wege-Katalysator 14 und das Adsorptionselement 16 weiter, bis zu einem Zeitpunkt III eine Desorptionstemperatur T_D des Adsorptionselements 16 erreicht ist, bei der die in dem Adsorptionselement 16 zurückgehaltenen unverbrannten Kohlenwasserstoffe desorbieren. Die mit T₁ gekennzeichnete Kurve stellt dabei den Temperaturverlauf an dem Drei-Wege-Katalysator 14 und die mit T₂ gekennzeichnete Kurve den Temperaturverlauf an dem Adsorptionselement 16 dar. Kurz nach dem Motorstart des Verbrennungsmotors 10 kommt es zu einem starken Anstieg der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC. Dabei stellt die Kurve HC₁ die Rohemissionen des Verbrennungsmotors 10, die Kurve HC₂ die HC-Emissionen stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 14 und die Kurve HC₃ die Emissionen stromabwärts des Adsorptionselements 16 dar. In der ersten Phase bis zum Zeitpunkt II passieren die unverbrannten Kohlenwasserstoffe den Drei-Wege-Katalysator 14 und werden in dem Adsorptionselement 16 zurückgehalten. Dies können Kaltstartphasen des Verbrennungsmotors 10 oder Wiederholstarts sein, in denen der Drei-Wege-Katalysator 14 keine ausreichende Temperatur zur Konvertierung hat. Erreicht der Drei-Wege-Katalysator 14 seine Light-off-Temperatur T_L so nehmen die HC-Emissionen nach dem Drei-Wege-Katalysator 14 deutlich ab, da diese an der katalytisch wirksamen Oberfläche des Katalysators 14 zu Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf umgesetzt werden können. Erreicht das Adsorptionselement 16 seine Desorptionstemperatur T_D, werden die eingelagerten Kohlenwasserstoffe wieder freigesetzt. Solange der Sauerstoffspeicher 20 in dem Adsorptionselement 16 noch nicht vollständig geleert ist, können die emittierten Kohlenwasserstoffe direkt auf der katalytisch wirksamen Oberfläche 18 des Adsorptionselements 16 umgesetzt werden. Voraussetzung für das Verfahren ist, dass die Desorptionstemperatur T_D des Adsorptionselements 16 oberhalb der Light-off-Temperatur T_L der katalytisch wirksamen Oberfläche 18 liegt.
In dem unteren Diagramm der 2 ist das Luftverhältnis λ an der ersten Lambdasonde λ₁ , entsprechend dem Verbrennungsluftverhältnis λ_E des Verbrennungsmotors 10, das Luftverhältnis λ₃ an dem Adsorptionselement 16 sowie stromabwärts des Adsorptionselements λ₄ dargestellt. Ist der Sauerstoffspeicher 20 des Adsorptionselements 16 stromaufwärts der dritten Lambdasonde 30 zum Zeitpunkt IV geleert, so erkennt die dritte Lambdasonde 30 eine Verschiebung im Luftverhältnis λ₃ in Richtung fett. Dieses fette Abgas kann kurzfristig durch den Sauerstoffspeicher 20 stromabwärts der dritten Lambdasonde 20 ausgeglichen werden, sodass sich im Abgaskanal stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponenten 14, 16 ein stöchiometrisches Abgas einstellt. Das erfindungsgemäße Verfahren schlägt nun vor, auf Basis dieses Lambdasondensignals des Verbrennungsluftverhältnisses λ_E des Verbrennungsmotors 10 in Richtung mager, also auf ein überstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis λ_E > 1 zu verstellen, mit dem Ziel, das Luftverhältnis λ₄ stromabwärts des Adsorptionselements 16 konstant bei λ₄ = 1 zu halten. Damit ist eine vollständige und kontinuierliche Konvertierung der Emissionen gewährleistet. Ist die Desorption der zurückgehaltenen Kohlenwasserstoffe nahezu abgeschlossen, erkennt die dritte Lambdasonde 30 dies durch eine Verschiebung des Luftverhältnisses λ₃ in Richtung mager. Ab diesem Zeitpunkt wird die Magerverstellung des Verbrennungsmotors 10 zurückgenommen und der Verbrennungsmotor 10 wieder mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben.
In 4 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 3 beschrieben, weist das Adsorptionselement 16 in dieser Ausführungsvariante keine katalytische wirksame Beschichtung auf, sodass die unverbrannten Kohlenwasserstoffe HC nach der Desorption nicht auf der Oberfläche des Adsorptionselements 16 konvertiert werden können. Ersatzweise dafür ist in der Abgasanlage 12 stromabwärts des Desorptionselements 16 ein zweiter Drei-Wege-Katalysator 32 oder ein Partikelfilter 24 mit einer drei-Wege-wirksamen, katalytischen Beschichtung (sogenannter Vier-Wege-Katalysator) angeordnet. Die Regelung des Luftverhältnis erfolgt dabei durch eine dritte Lambdasonde 30, welche stromabwärts des Adsorptionselements 16 und stromaufwärts des zweiten Katalysators 24, 32 angeordnet ist.
Alternativ kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei einem Kraftfahrzeug mit einem fremdgezündeten Verbrennungsmotor 10 durchgeführt werden, welcher ausschließlich mittels eines konventionellen Verbrennungsmotors 10 angetrieben wird. Die Durchführung bei einem Hybridfahrzeug 1 ist jedoch besonders günstig, da gerade bei häufigem Wechsel zwischen Elektromotor und Verbrennungsmotor die Gefahr besteht, dass der oder die Drei-Wege-Katalysatoren 14, 24, 32 nicht die Light-Off-Temperatur T_L erreichen und ein Großteil der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen ohne das Adsorptionselement 16 ansonsten unkonvertiert in die Umwelt emittiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Hybridfahrzeug
10: Verbrennungsmotor
12: Abgasanlage
14: Drei-Wege-Katalysator
16: Adsorptionselement
18: katalytische Beschichtung
20: Sauerstoffspeicher
22: Steuergerät
24: Partikelfilter mit drei-Wege-wirksamer katalytischer Beschichtung
26: erste Lambdasonde
28: zweite Lambdasonde
30: dritte Lambdasonde
32: zweiter Drei-Wege-Katalysator
34: Elektromotor
36: erste Kupplung
38: zweite Kupplung
40: Getriebe
42: Tank
44: Hochvoltbatterie
46: erste Antriebsachse
48: zweite Achse
50: Luftversorgung
52: Luftfilter
54: Drosselklappe
56: Kompressor
58: Luftmassenmesser
60: Antriebsstrang
62: erste Signalleitung
64: zweite Signalleitung
66: Kraftstoffpumpe
68: Kraftstoffleitung
λ_A: Luftverhältnis im Abgaskanal
λ_E: Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors
λ₁: Luftverhältnis an der ersten Lambdasonde
λ₂: Luftverhältnis an der zweiten Lambdasonde
λ₃: Luftverhältnis an der dritten Lambdasonde
λ₄: Luftverhältnis stromabwärts der letzten Komponente zur Abgasnachbehandlung
HC: unverbrannte Kohlenwasserstoffe
HC₁: Rohemissionen des Verbrennungsmotors an unverbrannten Kohlenwasserstoffen
HC₂: HC-Emissionen stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators
HC₃: HC-Emissionen stromabwärts des Adsorptionselements
T₁: Temperatur des ersten Drei-Wege-Katalysators
T₂: Temperatur des Adsorptionselements

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010056281 A1 [0002]
EP 1270887 A2 [0003]

Claims

Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) mit einer Abgasanlage (12), in der in Strömungsrichtung eines Abgases durch die Abgasanlage (12) einem ersten Drei-Wege-Katalysator (14) ein Adsorptionselement (16) zur zumindest temporären Zurückhaltung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen nachgeschaltet ist, umfassend folgende Schritte: - Start des Verbrennungsmotors (10), wobei die unverbrannten Kohlenwasserstoffe den ersten Drei-Wege-Katalysator (14) passieren und in dem Adsorptionselement (16) zurückgehalten werden, - Aufheizen des ersten Drei-Wege-Katalysators (14) auf eine Light-off-Temperatur (TL) durch den Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10), - Aufheizen des Adsorptionselements (16) auf eine Regenerationstemperatur (T_D), bei der die in dem Adsorptionselement (16) zurückgehaltenen, unverbrannten Kohlenwasserstoffe desorbieren, - Konvertieren der im Adsorptionselement (16) zurückgehaltenen, unverbrannten Kohlenwasserstoffe in Kohlenstoffdioxid und Wasser an einer katalytisch wirksamen Oberfläche (18) des Adsorptionselements (16) oder einem dem Adsorptionselement (16) nachgeschalteten Katalysator (32).
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses (λ_E) des Verbrennungsmotors (10) derart erfolgt, dass das Abgasluftverhältnis (λ_A) stromabwärts des Adsorptionselements (16) stöchiometrisch (λ_A=1) ist.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) nach einem Kaltstart oder einem Neustart mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ_E=1) betrieben wird und bei Erreichen einer Desorptionstemperatur (T_D) des Adsorptionselements (16) mit einem überstöchiometrischen, mageren Verbrennungsluftverhältnis (λ_E>1) betrieben wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Desorptionstemperatur (T_D) des Adsorptionselements (16) oberhalb der Light-off-Temperatur (T_L) der katalytischen Beschichtung (18) des Adsorptionselements (16) oder des zweiten Drei-Wege-Katalysators (24, 32) liegt.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10), umfassend eine Abgasanlage (12), in der in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Abgaskanal (12) einem ersten Drei-Wege-Katalysator (14, 24) ein Adsorptionselement (16) nachgeschaltet ist, sowie mit einem Steuergerät (22), welches eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 durchzuführen.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Adsorptionselement (16) eine katalytische drei-Wege-wirksame Beschichtung (18) und einen Sauerstoffspeicher (20) aufweist.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherkapazität des Sauerstoffspeichers (20) geringer ist als die Menge der zur vollständigen Konvertierung der maximal im Adsorptionselement (16) eingespeicherten Menge an unverbrannten Kohlenwasserstoffen notwendigen Sauerstoffmenge.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lambdasonde (26, 28, 30) in das Adsorptionselement (16) integriert ist.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Drei-Wege-Katalysator (14) oder ein weiterer, stromabwärts des Adsorptionselements (16) angeordneter Katalysator (32) als Partikelfilter (24) mit einer drei-Wege-wirksamen katalytischen Beschichtung ausgebildet ist.
Hybridfahrzeug (1) mit einem Verbrennungsmotor (10) und einem Elektromotor (34), wobei in der Abgasanlage (12) des Verbrennungsmotors (10) eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 5 bis 9 angeordnet ist.