DE102017113691A1

DE102017113691A1 - Abgasnachbehandlungsvorrichtung und Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102017113691A1
Application number: DE102017113691.6A
Authority: DE
Inventors: Stefan PAUKNER; Holger Blume
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-06-21
Filing date: 2017-06-21
Publication date: 2018-12-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, in dessen Abgasanlage ein Drei-Wege-Katalysator und stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators ein Vier-Wege-Katalysator angeordnet sind. Dabei ist ein Sekundärluftsystem vorgesehen, mit welchem stromab des Drei-Wege-Katalysators und stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators Sekundärluft in den Abgaskanal eingeblasen werden kann. Stromabwärts einer Einleitstelle für die Sekundärluft und stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators ist ein Abgassensor, insbesondere eine Lambdasonde vorgesehen, welchem ein Wasserstoffkatalysator vorgeschaltet ist. Dabei wird der Wasserstoff in dem Abgas, insbesondere bei einer Anfettung des Verbrennungsmotors zum Aufheizen oder zur Regeneration des Vier-Wege-Katalysators auf dem Wasserstoffkatalysator umgesetzt, um eine Verfälschung des Messsignals an dem Abgassensor durch Wasserstoff im Abgas zu vermeiden.
Ferner wird ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen, bei dem zur Regeneration des Vier-Wege-Katalysators der Verbrennungsmotor mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird und zeitgleich Sekundärluft in den Abgaskanal eingeblasen wird, wodurch sich im Abgaskanal stromabwärts der Einleitstelle ein überstöchiometrisches Abgas einstellt, wobei der im Abgas enthaltene Wasserstoff durch den Wasserstoffkatalysator zu Wasserdampf umgesetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
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. Solche Rußpartikel entstehen besonders nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors aufgrund einer unvollständigen Verbrennung in Kombination mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis sowie kalter Zylinderwände während des Kaltstarts. Die Kaltstartphase ist somit maßgeblich für die Einhaltung der gesetzlich vorgeschriebenen Partikelgrenzwerte. Im Fahrbetrieb wird ein solcher Ottopartikelfilter weiter mit Ruß beladen. Damit der Abgasgegendruck nicht zu stark ansteigt, muss dieser Ottopartikelfilter kontinuierlich oder periodisch regeneriert werden. Der Anstieg des Abgasgegendrucks kann zu einem Mehrverbrauch des Verbrennungsmotors, Leistungsverlust und einer Beeinträchtigung der Laufruhe bis hin zu Zündaussetzern führen. 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.
Um den Partikelfilter auf eine Regenerationstemperatur aufheizen zu können, ist eine möglichst motornahe Anordnung des Partikelfilters hilfreich. Ist der Partikelfilter motorfern, insbesondere in einer Unterbodenlage des Kraftfahrzeuges, angeordnet, so ist es schwierig, die zur Regeneration des Partikelfilters notwendigen Temperaturen zu erreichen. Ferner ist für einen Drei-Wege-Katalysator eine möglichst motornahe Anordnung günstig, um den Drei-Wege-Katalysator nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors möglichst schnell auf eine Betriebstemperatur bringen zu können, bei der eine effiziente Umsetzung der limitierten Schadstoffe im Abgas erfolgt. Daher besteht ein Zielkonflikt zur Einbaulage eines Drei-Wege-Katalysators und eines Partikelfilters in der Abgasanlage eines Ottomotors, da beide Bauteile eine bestimmte Temperatur benötigen, um funktionsfähig zu sein. Ferner sind aus dem Stand der Technik sogenannte Vier-Wege-Katalysatoren bekannt, welche eine Drei-Wege-katalytisch wirksame Beschichtung auf einem Partikelfilter aufweisen.
Die Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses erfolgt im Allgemeinen durch im Abgaskanal des Verbrennungsmotors angeordnete Lambdasonden. Dabei wird in einem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis (λ = 1) eingeregelt. Zur Regeneration des Partikelfilters sind ein gleichzeitiges Vorliegen von Restsauerstoff im Abgas und einer entsprechend hohen Temperatur zur Oxidation des im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußes notwendig. Als eine Möglichkeit, die Abgastemperatur zu steigern und für hinreichend Sauerstoff im Abgas zu sorgen, ist eine Kombination aus einem unterstöchiometrischen (fetten) Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors und einer Sekundärlufteinblasung in den Abgaskanal bekannt. So offenbart die DE 10 2015 212 514 A1 eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung für einen Ottomotor, bei der stromabwärts eines Drei-Wege-Katalysators und stromaufwärts eines Partikelfilters oder eines Vier-Wege-Katalysators Sekundärluft in den Abgaskanal eingebracht wird.
Aus der DE 10 2010 046 747 A1 ist eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit einem Drei-Wege-Katalysator und einem stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators angeordneten Partikelfilter bekannt, wobei stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators Sekundärluft zur Regeneration des Partikelfilters in den Abgaskanal eingeblasen wird.
Nachteilig an einer solchen Lösung ist jedoch, dass unverbrannter Wasserstoff aus dem überstöchiometrischen Abgas das Sondensignal der Lambdasonden verfälscht und somit das gemessene Verbrennungsluftverhältnis stromabwärts des Vier-Wege-Katalysators von dem tatsächlichen Verbrennungsluftverhältnis im Abgaskanal abweicht. Ferner ist die Regelstrecke bei einer Lambdasonde stromabwärts des Vier-Wege-Katalysators sehr lang, sodass die Qualität der Lambdaregelung für den Vier-Wege-Katalysator begrenzt bleibt. Dies kann zu einem Anstieg der Endrohremissionen führen.
Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, die Qualität der Lambdaregelung für den Vier-Wege-Katalysator zu verbessern und somit eine effizientere Abgasnachbehandlung zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einem Abgaskanal, in dem, vorzugsweise motornah, ein Drei-Wege-Katalysator angeordnet ist, gelöst. In Strömungsrichtung eines Abgases durch den Abgaskanal ist stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators ein Vier-Wege-Katalysator angeordnet. Ferner sind an dem Abgaskanal Mittel zur Einbringung von Sekundärluft, insbesondere eine Sekundärluftpumpe und ein Sekundärluftventil, vorgesehen, über welche an einer Einleitstelle stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators und stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators Sekundärluft in den Abgaskanal einbringbar ist. Stromabwärts der Einleitstelle und stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators ist ein Wasserstoffkatalysator zur Umsetzung von molekularem Wasserstoff zu Wasserdampf in dem Abgaskanal angeordnet. Vorzugsweise ist stromabwärts des Wasserstoffkatalysators und stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators ein Abgassensor vorgesehen. Unter einer motornahen Anordnung des Drei-Wege-Katalysators ist in diesem Zusammenhang eine Anordnung der Abgasnachbehandlungskomponenten mit einer Abgaslauflänge von weniger als 80 cm, insbesondere von weniger als 50 cm, besonders bevorzugt von weniger als 35 cm ab einem Auslass des Verbrennungsmotors zu verstehen. Durch den Wasserstoffkatalysator kann der im Abgas enthaltene Wasserstoff in Wasserdampf umgesetzt werden. Dies ist vorteilhaft, da molekularer Wasserstoff das Messsignal eines Abgassensors, insbesondere einer Lambdasonde, verfälschen kann und somit zu einer Fehlmessung führen kann. Im Falle einer Lambdasonde führt Wasserstoff im Abgas zu einem Messsignal, welches ein geringeres Verbrennungsluftverhältnis als das tatsächlich vorhandene signalisiert. Dadurch würde die notwendige Luftmenge der Sekundärlufteinbringung gesteigert, wodurch mehr Sauerstoff für die Oxidation des Rußes im Vier-Wege-Katalysator bereitgestellt wird. Dies könnte ohne eine Korrektur des Messsignals und eine damit verbundene Reduzierung der Sekundärluftmenge zu einer thermischen Schädigung des Vier-Wege-Katalysators führen. Zudem wird auch die Regelgüte der Lambdaregelung beeinträchtigt, wodurch eine Umsetzung von schädlichen, limitierten Abgaskomponenten durch den Vier-Wege-Katalysator nur eingeschränkt erfolgt. Durch den Wasserstoffsensor kann die Qualität des Sensorsignals verbessert werden und somit eine verbesserte Abgasnachbehandlung erfolgen.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung möglich.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Lambdasonde stromabwärts des Wasserstoffkatalysators und stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators angeordnet ist. Durch eine Lambdasonde stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators kann die Regelstrecke für die Lambdaregelung verkürzt und die Lambdaregelung verbessert werden. Durch den Wasserstoffkatalysator stromaufwärts der Lambdasonde kann der im Abgas befindliche Wasserstoff zu Wasserdampf umgesetzt werden, sodass das Messsignal der Lambdasonde nicht durch den Wasserstoff im Abgas verfälscht wird. Dies erhöht zusätzlich die Regelgüte der Lambdaregelung.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Abgasnachbehandlungsvorrichtung ist der Wasserstoffkatalysator mit einem Metallträger mit einer Edelmetallbeschichtung, insbesondere einer Platin-, Rhodium- und/oder Palladiumbeschichtung, ausgeführt. Bevorzugt liegt die Edelmetallmenge dabei bei zwischen 2 g und 20 g pro Kubikfuß (cft). Der Washcoat des Wasserstoffkatalysators ist dabei mit einer geringen oder vorzugsweise ohne eine Sauerstoffspeicherfähigkeit ausgeführt, da eine Sauerstoffspeicherfähigkeit des Washcoats zu einer Verlangsamung und somit zu einer Verschlechterung der Regelgüte der Lambdaregelung führt.
Bevorzugt ist dabei, wenn der Metallträger des Wasserstoffkatalysators eine geringe bis mittlere Zelligkeit von 50 und 300 Zellen pro Quadratinch (cpsi) aufweist. Prinzipiell können Metallträger mit einer sehr dünnen Wandstärke ausgeführt werden. Bei einer zusätzlichen geringen Zelligkeit erreicht der Metallträger sehr schnell seine Light-Off-Temperatur. Dabei kann durch die geringe bis mittlere Zelligkeit die Erhöhung des Abgasgegendrucks gering gehalten werden, sodass die restliche Abgasanlage durch das zusätzliche Bauteil nur unwesentlich beeinflusst wird. Alternativ kann der Wasserstoffkatalysator auch als Keramikkatalysator ausgebildet werden, was jedoch aufgrund der höheren Wandstärken und/oder der höheren Zelligkeit zu einer stärkeren Erhöhung des Abgasgegendrucks führt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Metallträger des Wasserstoffkatalysators eine geringe Wandstärke von 40 µm - 50 µm aufweist. Dadurch kann sich der Metallträger zum einen schnell erwärmen und besitzt nur eine geringe Wärmekapazität, sodass ein schnelles Erwärmen des Metallträgers möglich ist, zum anderen weist der Metallträger mit mindestens 40 µm eine ausreichende Wandstärke auf, um auch bei hohen Abgastemperaturen eine hinreichend hohe mechanische Festigkeit zu besitzen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wasserstoffkatalysator einen Außendurchmesser aufweist, welcher maximal das 1,5 fache des Innendurchmessers des Abgaskanals beträgt. Bevorzugt weist der Wasserstoffkatalysator einen Außendurchmesser auf, welcher dem Durchmesser das Abgaskanals entspricht. Durch einen geringen Außendurchmesser ist eine kostengünstige Herstellung des Wasserstoffkatalysators möglich. Zudem ist keine oder nur eine geringe Aufweitung des Abgaskanals notwendig, sodass keine oder nur geringe Änderungen am Abgaskanal notwendig sind. Darüber hinaus ergibt sich daraus keine weitere Anforderung an das Package. Das Volumen des Wasserstoffkatalysators kann gering ausgeführt werden, da nur geringe Mengen an Wasserstoff umgesetzt werden müssen und der Katalysator primär nicht der Schadstoffreduktion, sondern der Verbesserung des Messergebnisses des Abgassensors dient.
In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abgaskanal sich stromabwärts der Einleitstelle an einer Verzweigung in einen Hauptkanal und einen Bypasskanal verzweigt, wobei der Wasserstoffkatalysator und der Abgassensor, insbesondere die Lambdasonde, in dem Bypasskanal angeordnet sind. Der Bypasskanal mündet stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators an einer Einmündung wieder in den Hauptkanal. Dadurch ist es möglich, den Abgassensor, insbesondere die Lambasonde aus dem Hauptabgasstrom, zu entkoppeln, sofern das Abgas im Bypasskanal und im Hauptkanal die gleiche Zusammensetzung aufweist. Dadurch kann der Wasserstoffkatalysator besonders klein und kostengünstig ausgeführt werden und der Abgasgegendruck im Hauptkanal steigt nicht durch einen zusätzlichen Strömungswiderstand an.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Abgasnachbehandlungsvorrichtung ist vorgesehen, dass die Einleitstelle mindestens 30 cm, vorzugsweise mindestens 50 cm, besonders bevorzugt mindestens 80 cm stromaufwärts des Wasserstoffkatalysators angeordnet ist. Dadurch ist eine besonders gute Vermischung des Abgases mit der Sekundärluft vor Erreichen des Wasserstoffkatalysators und dem dahinterliegenden Abgassensor möglich. Somit liegt am Wasserstoffkatalysator und an der dem Wasserstoffkatalysator nachgeschalteten Abgassonde ein im Wesentlichen homogenes Abgas vor, sodass die Genauigkeit der Messung der Abgassonde nicht durch Konzentrationsunterschiede im Abgas über den Querschnitt des Abgaskanals beeinflusst wird.
In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen der Einleitstelle und dem Wasserstoffkatalysator ein Mischelement im Abgaskanal angeordnet ist. Durch ein Mischelement kann eine bei gleicher Mischstrecke verbesserte Vermischung von Abgas und Sekundärluft oder bei gleicher Vermischung eine kürzere Mischstrecke realisiert werden. Dadurch ist eine kompakte Ausführung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung möglich, insbesondere kann der Vier-Wege-Katalysator näher in Richtung Verbrennungsmotor angeordnet werden, wodurch heißeres Abgas den Vier-Wege-Katalysator durchströmt und weniger Energie zum Aufheizen des Vier-Wege-Katalysators auf eine Regenerationstemperatur benötigt wird.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, in dessen Abgaskanal motornah ein Drei-Wege-Katalysator und stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators ein Vier-Wege-Katalysator angeordnet ist, vorgeschlagen. Dabei sind an dem Abgaskanal Mittel zur Einbringung von Sekundärluft in den Abgaskanal vorgesehen, welche an einer Einleitstelle stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators und stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators in den Abgaskanal einbringbar sind. Stromabwärts der Einleitstelle für die Sekundärluft und stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators ist ein Wasserstoffkatalysator angeordnet. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

- Betreiben des Verbrennungsmotors in einem Normalbetrieb, wobei der Verbrennungsmotor mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird und das Abgas des Verbrennungsmotors durch den motornahen Drei-Wege-Katalysator und den stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators angeordneten Vier-Wege-Katalysator gereinigt wird;
- Regenerieren des Vier-Wege-Katalysators, wobei der Verbrennungsmotor mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird und gleichzeitig Sekundärluft in den Abgaskanal eingeblasen wird, wodurch sich stromabwärts der Einleitstelle ein überstöchiometrisches Abgas einstellt, wobei
- der in dem unterstöchiometrischen Abgas des Verbrennungsmotors enthaltene Wasserstoff durch den Wasserstoffkatalysator zu Wasserdampf oxidiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine wesentlich bessere Abgasdiagnose durch einen Abgassensor, insbesondere durch eine Lambdasonde, da das Messsignal der Abgassonde nicht durch den in dem unterstöchiometrischen Abgas enthaltenen Wasserstoff, welcher auch durch die Sekundärluft nicht ohne zusätzlichen Katalysator umgesetzt werden kann, gestört wird. Dabei wird eine wesentlich kürzere und zeitlich schnellere Regelstrecke ermöglicht, als dies durch einen Abgassensor stromabwärts des Vier-Wege-Katalysators möglich wäre.
In einer Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Aufheizphase vorgesehen ist, in welcher der Verbrennungsmotor unterstöchiometrisch betrieben wird und so viel Sekundärluft eingeblasen wird, dass sich ein stöchiometrisches Mischungsverhältnis stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators einstellt.
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. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei in den unterschiedlichen Zeichnungen mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigen:

1 eine bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor; und
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 10, dessen Auslass 46 mit einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20 verbunden ist. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20 umfasst einen Abgaskanal 12, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 12 stromabwärts des Auslasses 46 eine Turbine 52 eines Abgasturboladers 50 angeordnet ist. Stromabwärts der Turbine 52 ist in dem Abgaskanal 12 ein motornaher Drei-Wege-Katalysator 14 angeordnet. Unter einer motornahen Anordnung des Drei-Wege-Katalysators 14 ist eine Anordnung mit einem Abstand von weniger als 80 cm Abgaslauflänge, insbesondere von weniger als 50 cm Abgaslauflänge, ab dem Auslass 46 des Verbrennungsmotors 10 zu verstehen. Stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 14, vorzugsweise in Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges, ist in dem Abgaskanal 12 ein Vier-Wege-Katalysator 16 angeordnet. Der Verbrennungsmotor 10 ist als Ottomotor ausgeführt, welcher über nicht dargestellte Zündkerzen fremdgezündet wird. Stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 14 ist an dem Abgaskanal 12 ein Sekundärluftsystem mit einer Sekundärluftpumpe 36 und einem Sekundärluftventil 38 angeordnet, über welches an einer stromab des Drei-Wege-Katalysators 14 gelegenen Einleitstelle 22 Luft in den Abgaskanal 12 eingeblasen werden kann. Stromabwärts der Einleitstelle 22 erstreckt sich eine Mischstrecke 54 von mindestens 30 cm Länge, vorzugsweise von mindestens 50 cm Länge, in welcher die Frischluft sich mit dem Abgas vermischen kann. Zusätzlich kann in der Mischstrecke ein Mischelement 34 angeordnet sein, um die Vermischung von Abgas und Frischluft auf einer kürzeren Wegstrecke zu verbessern. Stromabwärts der Einleitstelle 22 und stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators 16 ist im Abgaskanal 12 ein Wasserstoffkatalysator 18 angeordnet. Der Wasserstoffkatalysator 18 weist einen Metallträger 24 mit einer Edelmetallbeschichtung 26, insbesondere einer Beschichtung aus Rhodium und/oder Palladium auf. Dabei weist der Metallträger 24 des Wasserstoffkatalysators 18 vorzugsweise eine geringe bis mittlere Zelligkeit von 50 - 300 cpsi und ebenfalls vorzugsweise eine geringe Wandstärke von 40 - 50 µm auf. Die Edelmetallmenge der Edelmetallbeschichtung 26 liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 2 und 20 g pro cft. Der Washcoat des Wasserstoffkatalysators 18 ist vorzugsweise ohne einen Sauerstoffspeicher oder mit einer geringen Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC ausgebildet.
Stromabwärts des Wasserstoffkatalysators 18 und stromaufwärts ist im Abgaskanal 12 ein Abgassensor, insbesondere eine Lambdasonde 30 angeordnet, welche über eine Signalleitung mit einem Steuergerät 58 zur Steuerung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20, insbesondere einem Steuergerät des Verbrennungsmotors 10, verbunden ist. Ferner ist im Abgaskanal stromabwärts der Turbine 52 des Abgasturboladers 50 und stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators 14 eine Lambdasonde 44, insbesondere eine Breitbandlambdasonde, angeordnet, welche ebenfalls über eine Signalleitung mit dem Steuergerät 58 verbunden ist. Alternativ kann die Lambdasonde 44 auch stromaufwärts der Turbine 52 des Abgasturboladers 50 angeordnet werden. Mit der Lambdasonde 44 kann der Sauerstoffgehalt λ₁ des Abgases stromabwärts des Auslasses 46 und stromaufwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente, also des Drei-Wege-Katalysators 14, ermittelt werden. Mit der Lambdasonde 30 stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 14 und stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators 16 kann der Sauerstoffgehalt λ₂ im Abgaskanal 14 vor Eintritt in den Vier-Wege-Katalysator 16 ermittelt werden, welcher sich durch die Vermischung von Sekundärluft und Abgas einstellt. Dabei ist die Lambdasonde 30 vorzugsweise ebenfalls als Breitbandlambdasonde ausgebildet, um ein definiertes überstöchiometrisches Abgas, insbesondere zum Aufheizen und zur Regeneration des Vier-Wege-Katalysators 16, einzuregeln. Alternativ kann die Lambdasonde 30 auch als Sprungsonde ausgeführt werden.
Alternativ zu einer Sekundärluftversorgung über eine Sekundärluftpumpe 36 können auch andere Mittel 56 zur Sekundärlufteinbringung in den Abgaskanal 12 vorgesehen sein. So kann beispielsweise auch eine Sekundärlufteinbringung durch von einem nicht dargestellten Verdichter des Abgasturboladers 50 verdichtete Ansaugluft aus dem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors 10 abgezweigt und über ein Sekundärluftventil 38 dem Abgaskanal 12 an der Einleitstelle 22 zugeführt werden.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung 20 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, verzweigt sich der Abgaskanal 12 stromabwärts der Einleitstelle 22 für die Sekundärluft an einer Verzweigung 40 in einen Hauptkanal 28 und einen Bypasskanal 32. Dabei ist zwischen der Einleitstelle 22 und der Verzweigung eine hinreichend lange Mischstrecke 54 vorgesehen, um eine gleichmäßige Durchmischung des Abgases mit der Frischluft aus dem Sekundärluftsystem zu ermöglichen. Dadurch weist das Abgas in dem Bypasskanal 32 die gleiche Zusammensetzung und den gleichen Sauerstoffgehalt wie in dem Hauptkanal 28 auf. In dem Bypasskanal 32 ist ein Wasserstoffkatalysator 18 vorgesehen, welchem ein Abgassensor, insbesondere eine Lambdasonde 30, nachgeschaltet ist. Stromabwärts des Abgassensors mündet der Bypasskanal 32 stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators 16 an einer Einmündung 42 wieder in den Hauptkanal 28. Ergänzend kann auch in dieser Ausführungsform in der Mischstrecke 54 ein Mischelement 34 zur Vermischung von Frischluft aus dem Sekundärluftsystem und Abgas vorgesehen werden. Die Ausführungsform mit dem Bypasskanal 32 hat den Vorteil, dass die Anordnung des Wasserstoffkatalysators 18 in dem Bypasskanal 32 nicht zu einer Erhöhung des Abgasgegendrucks vor dem Vier-Wege-Katalysator 16 und den mit einer Erhöhung des Abgasgegendrucks bekannten Nachteilen wie einer Leistungsabnahme und/oder einem Mehrverbrach des Verbrennungsmotors 10 führen. Dabei ist eine besonders gute Durchmischung von Abgas und Sekundärluft notwendig, damit das Abgas im Bypasskanal 32 die identische Abgaszusammensetzung wie das Abgas im Hauptkanal 28 aufweist, da ansonsten eine Abweichung in dem Signal des Abgassensors, insbesondere des Lambdasondensignals der Lambdasonde 30, zu erwarten ist.
Bei einer Regeneration des Vier-Wege-Katalysators 16, wenn die im Vier-Wege-Katalysator 16 zurückgehaltenen Rußpartikel oxidiert werden sollen, wird der Verbrennungsmotor 10 mit einem unterstöchiometrischen (fetten) Verbrennungsluftverhältnis λ < 1 betrieben und gleichzeitig Sekundärluft über das Sekundärluftventil 38 an der Einleitstelle 22 in den Abgaskanal 12 eingeleitet. Dabei werden die unverbrannten Kraftstoffbestandteile HC, CO, H2 auf der katalytisch wirksamen Oberfläche des Vier-Wege-Katalysators 16 mit dem Sauerstoff aus der Sekundärluft exotherm umgesetzt, wodurch sich der Vier-Wege-Katalysator 16 auf eine zur Oxidation des Rußes notwendige Regenerationstemperatur aufheizt. Um das Mischungsverhältnis λ_M regeln zu können, ist eine Lambdasonde 30 stromabwärts der Einleitstelle 22 und stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators 16 erforderlich. Wird die Lambdasonde 30 stromabwärts des Vier-Wege-Katalysators 16 angeordnet, würde sich durch die Gaslaufzeit und die Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC des Vier-Wege-Katalysators 16 das Regelverhalten deutlich verschlechtern. Durch das überstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis λ < 1 des Verbrennungsmotors 10 wird auf dem Drei-Wege-Katalysator 14 molekularer Wasserstoff H₂ gebildet. Die Bildungsrate für diesen Wasserstoff ist abhängig vom Alterungszustand des Drei-Wege-Katalysators und lässt sich nur sehr ungenau über Modelle abbilden. Dieser Wasserstoff reagiert jedoch nicht in dem Abgaskanal 12 mit der eingeblasenen Sekundärluft, da die Mischtemperatur dafür nicht ausreichend hoch ist und keine Kontaktfläche vorliegt.
Wasserstoff hat die negative Eigenschaft, durch sein Diffusionsverhalten das Messsignal eines Abgassensors, insbesondere einer Lambdasonde 30, zu stören. Im Fall der Lambdasonde 30 führt dies zu einer Verschiebung des Messsignals in Richtung „fett“, das heißt, wenn an der Lambdasonde 30 ein stöchiometrisches Abgas gemessen wird, liegt tatsächlich ein Sauerstoffüberschuss im Abgas vor. Somit lässt sich die Lambdaregelung nur sehr ungenau darstellen. Wird nun direkt vor dem Abgassensor, das heißt unmittelbar vor der Lambdasonde 30, ein Wasserstoffkatalysator 18 verbaut, der den Wasserstoff mithilfe der Sekundärluft zu Wasserdampf umsetzen kann, entfällt diese negative Beeinflussung des Abgassensors. Das Sondensignal wird deutlich verbessert, wodurch die Regelgüte der Lambdaregelung steigt. Dies ist insbesondere für die Konvertierung der limitierten Abgasemissionen durch den Vier-Wege-Katalysator sowie für einen effektiven Bauteilschutz des Vier-Wege-Katalysators vor einer thermischen Schädigung erforderlich. Da Wasserstoff sehr reaktionsfreudig ist, wird er bei einem Wasserstoffkatalysator 18 mit geringer Oberfläche und geringer Edelmetallbeschichtung 26 schneller reagieren als die anderen unverbrannten Kraftstoffbestandteile HC, CO. Ein Umsatz der unverbrannten Kraftstoffbestandteile ist nicht zwingend zu vermeiden, aber für die Funktion auch nicht unbedingt erforderlich. Ein partieller Umsatz von Kohlenstoffmonoxid CO und/oder unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC auf dem Wasserstoffkatalysator 18 ist ebenfalls möglich.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Abgaskanal
14: Drei-Wege-Katalysator
16: Vier-Wege-Katalysator
18: Wasserstoffkatalysator
20: Abgasnachbehandlungsvorrichtung
22: Einleitstelle
24: Metallträger
26: Edelmetallbeschichtung
28: Hauptkanal
30: Lambdasonde
32: Bypasskanal
34: Mischelement
36: Sekundärluftpumpe
38: Sekundärluftventil
40: Verzweigung
42: Einmündung
44: Lambdasonde
46: Auslass
48: Brennraum
50: Abgasturbolader
52: Turbine
54: Mischstrecke
56: Mittel zur Sekundärlufteinbringung
58: Steuergerät
λ: Verbrennungsluftverhältnis
λ_m: Mischungsverhältnis
λ₁: Abgasluftverhältnis an der ersten Lambdasonde
λ₂: Abgasluftverhältnis an der zweiten Lambdasonde
D_A: Außendurchmesser des Wasserstoffkatalysators
D_EP: (Innen-)Durchmesser des Abgaskanals
CO: Kohlenstoffmonoxid
HC: unverbrannte Kohlenwasserstoffe
H₂: (molekularer) Wasserstoff
OSC: Sauerstoffspeicherfähigkeit (des Vier-Wege-Katalysators)

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

DE 102015212514 A1 [0004]
DE 102010046747 A1 [0005]

Claims

Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20) für einen Verbrennungsmotor (10), mit einem Abgaskanal (12), einem im Abgaskanal (12) angeordneten Drei-Wege-Katalysator (14) und einem in Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgaskanal (12) stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators (14) angeordneten Vier-Wege-Katalysator (16), sowie mit Mitteln (56) zur Einbringung von Sekundärluft in den Abgaskanal (12), welche an einer Einleitstelle (22) stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators (14) und stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators (16) in den Abgaskanal (12) einbringbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Einleitstelle (22) und stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators (16) ein Wasserstoffkatalysator (18) im Abgaskanal (12) angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lambdasonde (30) stromabwärts des Wasserstoffkatalysators (18) und stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators (16) angeordnet ist
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffkatalysator (18) mit einem Metallträger (24) mit einer Edelmetallbeschichtung (26) ausgeführt ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallträger (24) eine mittlere Zelligkeit von 50 cpsi bis 300 cpsi aufweist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallträger (24) eine Wandstärke von 40 µm - 50 µm aufweist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffkatalysator (18) einen Außendurchmesser (D_A) aufweist, welcher maximal das 1,5fache das Durchmessers (D_EP) des Abgaskanals (12) beträgt.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaskanal (12) stromabwärts der Einleitstelle (22) und stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators (16) in einen Hauptkanal (28) und einen Bypasskanal (32) verzweigt, wobei der Wasserstoffkatalysator (18) und die Lambdasonde (30) in dem Bypasskanal (32) angeordnet sind.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitstelle (22) mindestens 30 cm stromaufwärts des Wasserstoffkatalysators (18) angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Einleitstelle (22) und dem Wasserstoffkatalysator (18) ein Mischelement (34) im Abgaskanal (12) angeordnet ist.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10), in dessen Abgaskanal (12) motornah ein Drei-Wege-Katalysator (14) und stromabwärts des Drei-Wege-Katalyators (14) ein Vier-Wege-Katalysator (16) angeordnet ist, sowie mit Mitteln (56) zur Einbringung von Sekundärluft in den Abgaskanal (12), welche an einer Einleitstelle (22) stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators (14) und stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators (16) in den Abgaskanal (12) einbringbar ist, sowie mit einem Wasserstoffkatalysator (18), welcher stromabwärts der Einleitstelle (22) und stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators (16) angeordnet ist, umfassend folgende Schritte: - Betreiben des Verbrennungsmotors (10) in einem Normalbetrieb, wobei der Verbrennungsmotor (10) mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ = 1) betrieben wird und das Abgas des Verbrennungsmotors (10) durch den motornahen Drei-Wege-Katalysator (14) und den stromabwärts des motornahen Drei-Wege-Katalysators (14) angeordneten Vier-Wege-Katalysator (16) gereinigt wird, - Regenerieren des Vier-Wege-Katalysators (16), wobei der Verbrennungsmotor (10) mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ < 1) betrieben wird und gleichzeitig Sekundärluft in den Abgaskanal eingeblasen wird, wobei - der in dem unterstöchiometrischen Abgas des Verbrennungsmotors enthaltene Wasserstoff durch den Wasserstoffkatalysator (18) zu Wasserdampf oxidiert wird.