DE102017205664A1

DE102017205664A1 - Abgasnachbehandlungsvorrichtung und Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102017205664A1
Application number: DE102017205664.9A
Authority: DE
Inventors: Stefan PAUKNER; Falk-Christian Baron von Ceumern-Lindeensstjerna; Michael Thiele; Markus Paulovsky; Florian Zink; Jan Knaup; Sebastian Munk; David Sudschajew; Dominik Keuneke
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-04-04
Filing date: 2017-04-04
Publication date: 2018-10-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, in dessen Abgasanlage ein Partikelfilter und ein Drei-Wege-Katalysator angeordnet sind. Dabei sind sowohl der Partikelfilter als auch der Drei-Wege-Katalysator motornah angeordnet, um ein schnelles Aufwärmen des Drei-Wege-Katalysators nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors zu ermöglichen und den Partikelfilter zur Regeneration auf eine notwendige Regenerationstemperatur aufzuheizen. Der Partikelfilter ist dabei im Wesentlichen frei von einer Sauerstoffspeicherfähigkeit ausgeführt, um eine Alterung einer katalytischen Beschichtung des Partikelfilters zu vermeiden und eine Diagnose von Partikelfilter und Drei-Wege-Katalysator mit einer gemeinsamen Sensoranordnung zu ermöglichen.
Es ist vorgesehen, dass stromaufwärts des Partikelfilters und stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators eine Sauerstoffkonzentration im Abgaskanal gemessen wird, und über diese Sauerstoffkonzentrationen eine Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses sowohl für den Partikelfilter als auch für den Drei-Wege-Katalysator erfolgt.

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 schwer, 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 einer Drei-Wege-Katalysators und einer Partikelfilters in der Abgasanlage einer 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. Dabei weist die Drei-Wege-katalytisch wirksame Beschichtung eine Sauerstoffspeicherfähigkeit auf. Nachteilig an einem Vier-Wege-Katalysator ist jedoch, dass die Drei-Wege-katalytisch wirksame Beschichtung aufgrund der hohen Temperaturen im Abgaskanal nahe einem Auslass des Verbrennungsmotors entsprechend hohen Alterungsprozessen unterworfen ist, sodass sich diese Sauerstoff-Speicherfähigkeit über die Lebensdauer des Vier-Wege-Katalysators deutlich reduziert und die katalytische Funktion des Vier-Wege-Katalysators einschränken kann.
Aus der DE 10 2013 018 208 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit einer motornah angeordneten ersten Katalysatoreinheit und einer in Unterbodenlage des Kraftfahrzeuges angeordneten zweiten Katalysatoreinheit bekannt. Dabei umfasst die erste Katalysatoreinheit einen Drei-Wege-Katalysator und einen dem Drei-Wege-Katalysator nachgeschalteten Partikelfilter. Stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators und stromaufwärts des Partikelfilters ist ein Sauerstoffsensor zur Regelung des Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors angeordnet. Die Position des Sauerstoffsensors stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators und stromaufwärts des Partikelfilters ist dabei bewusst so gewählt, damit auf dem Partikelfilter ablaufende Prozesse die Regelung des Verbrennungsmotors nicht beeinflussen. Nachteilig an einer solchen Lösung ist jedoch, dass zusätzliche Sensoren notwendig sind, um insbesondere bei einem katalytisch beschichteten Partikelfilter eine On-Board-Diagnose zu ermöglichen und die Funktion des Partikelfilters sicherzustellen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung vorzuschlagen, welche besonders einfach zu steuern und zu überwachen ist und gegenüber bekannten Lösungen, insbesondere gegenüber einem Vier-Wege-Katalysator, nur geringe Alterungseffekte aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, mit einer Abgasanlage, welche mit einem Auslass des Verbrennungsmotors verbindbar ist, gelöst, wobei die Abgasanlage einen Abgaskanal umfasst, in dem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors durch den Abgaskanal motornah ein Partikelfilter und ebenfalls motornah ein erster Drei-Wege-Katalysator angeordnet, wobei der Partikelfilter eine derart geringe Sauerstoffspeicherfähigkeit aufweist, dass eine gemeinsame Diagnose von Partikelfilter und erstem Drei-Wege-Katalysator durch eine Sensoranordnung zur Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses des Verbrennungsmotors möglich ist. Durch eine erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungsvorrichtung kann ein Abgasnachbehandlungssystem bereit gestellt werden, dessen katalytische Wirkung nur sehr geringen Alterungserscheinungen über die Lebensdauer aufweist und dessen Funktion durch nur eine Sensoranordnung überwacht werden kann. Damit können die Kosten für die Abgasnachbehandlungsvorrichtung reduziert werden, sodass es mit nur geringfügigen Mehrkosten gegenüber einem Vier-Wege-Katalysator ausgeführt werden kann, jedoch ohne die Nachteile eines Vier-Wege-Katalysators, insbesondere die über die Lebenszeit des Vier-Wege-Katalysators nachlassende katalytische Wirkung. Unter einer motornahen Anordnung des Partikelfilters und des ersten Drei-Wege-Katalysators ist in diesem Zusammenhang eine Anordnung der Abgasnachbehandlungskomponenten mit einer Abgaslauflänge von weniger als 80cm, insbesondere von weniger als 50cm, besonders bevorzugt von weniger als 35cm ab einem Auslass des Verbrennungsmotors zu verstehen.
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 die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Partikelfilters maximal zehn Prozent der Sauerstoffspeicherfähigkeit des ersten Drei-Wege-Katalysators beträgt. Um eine On-Board-Diagnose (OBD) des Drei-Wege-Katalysators und des Partikelfilters ohne zusätzliche Lambdasonden zu ermöglichen, wird eine möglichst geringe Sauerstoffspeicherfähigkeit des Partikelfilters angestrebt, da der im Partikelfilter eingespeicherte Sauerstoff ansonsten eine gezielte On-Board-Diagnose des Drei-Wege-Katalysators verhindert.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Partikelfilter im Wesentlichen frei von einem Sauerstoffspeicher ausgeführt ist und keine Sauerstoffspeicherfähigkeit aufweist. Kann der Partikelfilter keinen Sauerstoff einspeichern, so wirkt er nicht wie ein Totzeitglied bei der Lambdaregelung, sodass eine entsprechende Gemischverstellung ausschließlich in Abhängigkeit des im ersten Drei-Wege-Katalysators eingespeicherten Sauerstoffs erfolgen kann und die Prozesse auf dem Partikelfilter die Lambdaregelung nicht beeinflussen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Partikelfilter in Strömungsrichtung eines Abgases durch die Abgasanlage stromabwärts des Auslass des Verbrennungsmotors und stromaufwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators als erstes emissionsminderndes Bauteil angeordnet ist. Um ein Aufheizen des Partikelfilters auf eine Regenerationstemperatur, bei der die im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußpartikel oxidiert werden, zu unterstützen, ist es vorteilhaft, wenn der Partikelfilter mit möglichst heißem Abgas und daher möglichst motornah angeordnet wird. Zudem verkürzt sich bei einer möglichst motornahem Anordnung die Heizstrecke und die damit verbundenen Wärmeverluste, wenn der Partikelfilter zur Regeneration durch motorische Maßnahmen auf eine Regenerationstemperatur aufgeheizt werden muss.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Drei-Wege-Katalysator stromabwärts des Partikelfilters angeordnet ist, wobei der erste Drei-Wege-Katalysator die Hauptkomponente zur Umsetzung der gasförmigen Emissionen in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors ist. Um eine möglichst effiziente Abgasnachbehandlung zu ermöglichen, muss der Drei-Wege-Katalysator auf eine Betriebstemperatur aufgeheizt werden, bei der eine effiziente Umsetzung der limitierten Abgaskomponenten, insbesondere der unverbrannten Kohlenwasserstoffe (HC), des Kohlenstoffmonoxid (CO) und der Stickoxide (NO_x), erfolgt. Dabei kann der erste Drei-Wege-Katalysator durch seine motornahe Position vergleichsweise schnell auf eine sogenannte Light-Off-Temperatur aufgeheizt werden, bei welcher der Drei-Wege-Katalysator 50% seiner Konvertierungsleistung erreicht.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Abgasnachbehandlungsvorrichtung ist vorgesehen, dass der Partikelfilter ausschließlich zur Reduzierung der Partikelemissionen und frei von einer katalytisch wirksamen Beschichtung ausgeführt ist. Dies wird durch einen Partikelfilter erreicht, der frei von einer katalytischen Beschichtung, insbesondere frei von einer Drei-Wege-katalytisch wirksamen Beschichtung oder frei von einer Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ausgeführt ist. Durch den Entfall der Beschichtung kann der Partikelfilter zum einen kostengünstig, und zum anderen frei von einer Sauerstoffspeicherfähigkeit ausgeführt werden.
In einer alternativen Ausführungsform der Abgasnachbehandlungsvorrichtung ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Partikelfilter eine katalytisch wirksame Beschichtung zur Unterstützung des Aufheizens des in der Abgasanlage stromabwärts des Partikelfilters angeordneten Drei-Wege-Katalysators oder des Partikelfilters aufweist. Durch eine Beschichtung des Partikelfilters mit einer geringen Menge an Edelmetall mit einer katalytische wirksamen Beschichtung, insbesondere mit einer oxidativ wirksamen Beschichtung, können unverbrannte oder teilverbrannte Abgasbestandteile auf dem Partikelfitler oder dem Drei-Wege-Katalysator exotherm umgesetzt werden, was das Aufheizen des Partikelfilters auf eine Regenerationstemperatur, bei der die im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußpartikel oxidativ umgesetzt werden, oder das Aufheizen des stromabwärts des Partikelfilters angeordneten ersten Drei-Wege-Katalysators auf seine Light-Off-Temperatur unterstützt werden.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Partikelfilter eine Edelmetallbeschichtung, insbesondere eine Platin-, Rhodium- und/oder Palladiumbeschichtung aufweist und vorzugsweise frei von einer Cerdioxidbeschichtung ist. Eine Edelmetallbeschichtung aus Platin, Rhodium oder Palladium fördert die Oxidation der unverbrannten oder teilverbrannten Abgaskomponenten. Durch einen Verzicht auf eine Cerdioxidbeschichtung kann die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Partikelfilters minimiert werden, wodurch der beschichtete Partikelfilter zwar keine Drei-Wege-katalytische Wirkung entfalten kann, jedoch aktiv zum Aufheizen des Partikelfilters und/oder des ersten Drei-Wege-Katalysators beitragen kann. Die Edelmetallbeschichtung im Partikelfilter ist ein wichtiges Element des Aufheizens im Partikelfilter selbst, weil die Reaktion von unverbrannten Kohlenwasserstoffen mit Frischluft unterstützt oder gar erst ermöglicht wird. Die Aufheizphase des Partikelfilters ist somit kürzer, der nachteilige und verbrauchserhöhte Heizbetrieb des Verbrennungsmotors somit ebenfalls verkürzt. Eine Beschichtung ohne Sauerstoffspeicherfähigkeit oder mit einer sehr geringen Sauerstoffspeicherfähigkeit, welche maximal 10% der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Drei-Wege-Katalysators entspricht ist aus Sicht der Alterung der Gesamtsauerstoffspeicherfähigkeit der Abgasnachbehandlungsvorrichtung optimiert. Über die Lebensdauer des Fahrzeuges kann somit vermieden werden, dass die Sauerstoffspeicherfähigkeit durch eine Regeneration des Partikelfilters zu stark beeinflusst wird und somit keine On-Board-Diagnose des Drei-Wege-Katalysators mehr möglich ist. Das Aufheizverhalten wird durch eine reine Edelmetallbeschichtung erreicht und ist über die Lebensdauer des Partikelfilters im Wesentlichen stabil.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensoranordnung eine erste Lambdasonde aufweist, welcher stromabwärts des Auslasses und stromaufwärts des Partikelfilters und stromaufwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators angeordnet ist, und dass die Sensoranordnung eine zweite Lambdasonde aufweist, welche stromabwärts des Partikelfilters und stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators angeordnet ist. Durch eine erste Lambdasonde stromaufwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente, insbesondere stromaufwärts des Partikelfilters und eine zweite Lambdasonde stromabwärts der zweiten Abgasnachbehandlungskomponente, insbesondere stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators ist eine gemeinsame On-Board-Diagnose der beiden Abgaskomponenten möglich. Dies ist jedoch nur dann möglich, wenn der Partikelfilter erfindungsgemäß eine sehr geringe oder keine Sauerstoffspeicherfähigkeit aufweist, da diese ansonsten die Ergebnisse bei der Überwachung des ersten Drei-Wege-Katalysators verfälscht und eine zur On-Board-Diagnose hinreichende Genauigkeit für die Überwachung der Funktion des ersten Drei-Wege-Katalysators nicht gegeben ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Abgasnachbehandlungsvorrichtung ist vorgesehen, dass der Partikelfilter und der erste Drei-Wege-Katalysator in einem gemeinsamen, motornahen Gehäuse angeordnet sind. Durch eine Anordnung des Partikelfilters und des ersten Drei-Wege-Katalysators in einem gemeinsamen Gehäuse können die beiden Abgasnachbehandlungskomponenten als Baugruppe vormontiert werden und somit eine spätere Montage der Abgasanlage des Verbrennungsmotors erleichtert werden. Zudem wird durch ein gemeinsames Gehäuse die Gefahr einer Undichtigkeit in den Übergangsbereichen zwischen dem Abgaskanal und den einzelnen Komponenten der Abgasnachbehandlung reduziert.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Abgaskanal zwischen dem Partikelfilter und dem ersten Drei-Wege-Katalysator oder zwischen dem ersten Drei-Wege-Katalysator und dem Partikelfilter krümmungsfrei ausgeführt ist. Durch eine krümmungsfrei Ausgestaltung des Abgaskanals zwischen dem Partikelfilter und dem ersten Drei-Wege-Katalysator oder zwischen dem ersten Drei-Wege-Katalysator und dem Partikelfilter können die Strömungsverluste und somit der Abgasgegendruck reduziert werden. Dadurch ist eine seltenere Regeneration des Partikelfilters notwendig und die Gefahr von Zündaussetzern in den Brennräumen des Verbrennungsmotors wird herabgesetzt.
Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass zwischen dem Partikelfilter und dem ersten Drei-Wege-Katalysator oder zwischen dem ersten Drei-Wege-Katalysator und dem Partikelfilter eine Umlenkung des Abgaskanals um einen Umlenkwinkel von 150° - 210°, vorzugsweise um 175° bis 185°, erfolgt. Durch eine Umlenkung um Näherungsweise 180° können der Partikelfilter und der erste Drei-Wege-Katalysator ebenfalls bauraumsparend in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet werden, wodurch der Bauraum im Motorraum eines Kraftfahrzeugs ideal genutzt werden kann. Da die Umlenkung des Abgases den Strömungswiderstand und damit verbunden den Abgasgegendruck erhöht, sollte der Radius der Umlenkelement möglichst groß sein, um diesen Anstieg gering zu halten.
Ferner ist mit Vorteil vorgesehen, dass im Abgaskanal stromabwärts des Partikelfilters und stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators ein zweiter Drei-Wege-Katalysator angeordnet ist. Durch einen zweiten Drei-Wege-Katalysator stromabwärts des Partikelfilters und stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators, insbesondere in einer Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges, kann die Konvertierungsleistung bei großen Abgasvolumina, d.h. bei hohen Lastzuständen des Verbrennungsmotors verbessert werden, wenn die Konvertierungsleistung des ersten Drei-Wege-Katalysators nicht ausreichend ist, um eine vollständige Konvertierung des limitierten Abgaskomponenten zu gewährleisten.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotor, in dessen Abgasanlage motornah ein Partikelfilter und ein erster Drei-Wege-Katalysator angeordnet sind, vorgeschlagen, welches folgende Schritte umfassend:

- Betreiben des Verbrennungsmotors in einem Normalbetrieb, wobei das Abgas des Verbrennungsmotors durch einen motornahen Partikelfilter und einen stromabwärts des motornahen Partikelfilters angeordneten ersten Drei-Wege-Katalysator gereinigt wird, wobei
- in einem überstöchiometrischen Betrieb des Verbrennungsmotors Sauerstoff in dem ersten Drei-Wege-Katalysator eingespeichert wird, wobei
- in der Abgasanlage stromaufwärts des Partikelfilters eine ersten Sauerstoffkonzentration im Abgas ermittelt, wobei
- in der Abgasanlage stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators eine zweite Sauerstoffkonzentration im Abgas ermittelt wird, und wobei
- der Partikelfilter im Wesentlichen keine Sauerstoffspeicherfähigkeit aufweist, sodass im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors eine gemeinsame Funktionsanalyse des Partikelfilters und des ersten Drei-Wege-Katalysators durch das Ermitteln der Sauerstoffkonzentration in der Abgasanlage stromaufwärts des Partikelfilters und stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die gemeinsame On-Board-Diagnose von Partikelfilter und erstem Drei-Wege-Katalysator durch nur ein Lambdasondenpaar, wodurch eine besonders einfache und kostengünstige Überwachung der beiden Abgasnachbehandlungskomponenten möglich ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Partikelfilter zur Oxidation der im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußpartikel durch den Abgasstrom des Verbrennungsmotors auf eine Temperatur von mindestens 600°C aufgeheizt wird. Durch die motornahe Position des Partikelfilters wird im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors, insbesondere ohne zusätzliche motorische Heizmaßnahmen die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass sich der Partikelfilter auf eine Regenerationstemperatur aufheizt, bei der die im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußpartikel oxidiert und der Partikelfilter somit regeneriert werden kann. Durch den Verzicht oder die Verkürzung solcher Heizphasen können der Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors sowie die Rohemissionen gesenkt 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 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit einer Abgasanlage, welche ein erste Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung umfasst;
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung;
3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung;
4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung;
5 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung;
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung, bei der eine Umlenkung des Abgases zwischen dem Partikelfilter und dem ersten Drei-Wege-Katalysator um ca. 180° erfolgt;
7 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung;
8 eine schematische Darstellung, wie sich die Sauerstoffspeicherfähigkeit bei einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung im Vergleich zu einem Vier-Wege-Katalysator und einem dem Vier-Wege-Katalysator nachgeschalteten Drei-Wege-Katalysator über die Lebenszeit entwickelt.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 10, dessen Auslass 40 mit einer Abgasanlage 12 verbunden ist. Der Verbrennungsmotor 10 ist als Ottomotor ausgeführt, welcher über nicht dargestellte Zündkerzen fremdgezündet wird. Der Verbrennungsmotor 10 ist vorzugsweise als mittels eines Abgasturboladers aufgeladener Verbrennungsmotor 10 ausgeführt, wobei der Abgasturbolader stromabwärts des Auslasses 40 und stromaufwärts der ersten emissionsmindernden Abgasnachbehandlungskomponente 16, 18 angeordnet ist. Die Abgasanlage 12 umfasst einen Abgaskanal 14, in dem in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Abgaskanal 14 ein Partikelfilter 16 und stromabwärts des Partikelfilters 16 ein erster Drei-Wege-Katalysator 18 angeordnet sind. Der Partikelfilter 16 und der erste Drei-Wege-Katalysator 18 sind dabei jeweils motornah, d.h. mit einem Abstand von weniger als 80 cm Abgaslauflänge, insbesondere von weniger als 50 cm Abgaslauflänge, ab dem Auslass 40 des Verbrennungsmotors 10 angeordnet. Stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 18 ist ein zweiter Drei-Wege-Katalysator 20 angeordnet. Der zweite Drei-Wege-Katalysator 20 ist vorzugsweise in einer motorfernen Unterbodenposition eines Kraftfahrzeuges angeordnet. Stromaufwärts des Partikelfilters 16 ist im Abgaskanal 14 eine erste Lambdasonde 24 angeordnet, mit welcher der Sauerstoffgehalt λ₁ des Abgases stromabwärts des Auslasses 40 und stromaufwärts der ersten Abgasnachbehandlungskomponente, also des Partikelfilters 16 ermittelt werden kann. Stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 18 ist im Abgaskanal 14 eine zweite Lambdasonde 26 angeordnet, mit welcher der Sauerstoffgehalt λ₂ im Abgaskanal 14 stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 18 ermittelt werden kann. Die erste Lambdasonde 24 ist über eine erste Signalleitung 32 mit einem Steuergerät 30 des Verbrennungsmotors 10 verbunden. Die zweite Lambdasonde 26 ist über eine zweite Signalleitung 34 mit dem Steuergerät 30 verbunden. Die erste Lambdasonde 24 und die zweite Lambdasonde 26 bilden dabei eine Sensoranordnung 42 aus, mit welcher das Verbrennungsluftverhältnis λ des Verbrennungsmotors 10 geregelt werden kann.
Der Partikelfilter 16 und der erste Drei-Wege-Katalysator 18 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 28 angeordnet, wobei zwischen dem Partikelfilter 16 und dem ersten Drei-Wege-Katalysator 18 ein Abstand D vorhanden ist. Der Partikelfilter 16 ist im Wesentlichen frei von einer Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_P ausgeführt. Der erste Drei-Wege-Katalysator 18 weist eine Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_TWC auf, welche im Wesentlichen der Gesamtsauerstoffspeicherfähigkeit OSC der beiden Abgasnachbehandlungskomponenten 16, 18 entspricht. Der Partikelfilter 16 und der erste Drei-Wege-Katalysator 18 sind durch einen Abschnitt des Abgaskanals 14 verbunden, welcher krümmungsfrei ausgeführt ist und somit einen möglichst geringen Strömungswiderstand aufweist.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, weist der Partikelfilter 16 zusätzlich eine katalytisch wirksame Edelmetallbeschichtung 22, insbesondere eine Beschichtung 22 aus Platin, Palladium oder Rhodium auf. Die Beschichtung 22 weist jedoch keine, oder nur eine sehr geringe Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_P auf, und dient in erster Linie zur exothermen Umsetzung von unverbrannten oder teilverbrannten Abgaskomponenten zum Aufheizen des Partikelfilters 16 oder des stromabwärts des Partikelfilters 16 angeordneten ersten Drei-Wege-Katalysator 18.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, entfällt bei diesem Ausführungsbeispiel der zweite Drei-Wege-Katalysator 20.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung dargestellt. Bei ansonsten gleichem Aufbau wie zu 2 ausgeführt, entfällt bei diesem Ausführungsbeispiel der zweite Drei-Wege-Katalysator 20.
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung dargestellt. Bei ansonsten gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, sind in diesem Ausführungsbeispiel die Positionen des ersten Drei-Wege-Katalysators 18 und der Partikelfilters 16 vertauscht. Dabei kann der Partikelfilter 16 eine drei-Wege-katalytisch wirksame Beschichtung 22 aufweisen und als Vier-Wege-Katalysator 44 ausgeführt werden. Der Vier-Wege-Katalysator 44 weist vorzugsweise eine Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC auf, welche maximal 10% der Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_TWC des Drei-Wege-Katalysators 18 beträgt, um eine On-Board-Diagnose des Drei-Wege-Katalysators 18 ohne zusätzliche Sensoren zu ermöglichen.
In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, weist der Abgaskanal 14 im Bereich zwischen dem Partikelfilter 16 und dem ersten Drei-Wege-Katalysator 18 ein erstes Umlenkelement 36 und ein zweites Umlenkelement 38 auf, welche die Abgasströmung jeweils um 90° umlenken. Alternativ dazu ist ein Umlenkelement vorgesehen, welches ein Umlenkung um 180° ermöglicht. Der Partikelfilter 16 und der erste Drei-Wege-Katalysator 18 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 28 angeordnet, wodurch die Fixierung der beiden Abgasnachbehandlungskomponenten 16, 18 im Motorraum eines Kraftfahrzeuges erleichtert wird und der vorhandene Bauraum optimal genutzt werden kann. Im Abgaskanal 14 stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 18 kann ein zweiter Drei-Wege-Katalysator 20 angeordnet sein, welcher in dieser Darstellung aus Gründen der Übersichtlichkeit jedoch nicht dargestellt ist. Dieser zweite Drei-Wege-Katalysator 20 kann wie in 3 dargestellt auch entfallen.
In 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 6 ausgeführt, ist in diesem Ausführungsbeispiel die Reihenfolge des Partikelfilters 16 und der ersten Drei-Wege-Katalysators 18 vertauscht, sodass der erste Drei-Wege-Katalysator in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Abgaskanal 14 die erste emissionsmindernde Abgasnachbehandlungskomponente darstellt. Dabei kann der Partikelfilter 16 eine drei-Wege-katalytisch wirksame Beschichtung 22 aufweisen und als Vier-Wege-Katalysator 44 ausgeführt werden. Der Vier-Wege-Katalysator 44 weist vorzugsweise eine Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC auf, welche maximal 10% der Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_TWC des Drei-Wege-Katalysators 18 beträgt, um eine On-Board-Diagnose des Drei-Wege-Katalysators 18 ohne zusätzliche Sensoren zu ermöglichen.
Im Betrieb des Verbrennungsmotor 10 wird das Abgas des Verbrennungsmotors durch den Partikelfilter 16 und den ersten Drei-Wege-Katalysator 18 geleitet, wobei die im Abgas enthalten Rußpartikel aus dem Abgasstrom herausgefiltert werden und die schädlichen Abgaskomponenten in unschädliche Abgaskomponenten konvertiert werden. Durch die motornahe Anordnung des ersten Drei-Wege-Katalysators 18 ist nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 eine besonders schnelle Aufheizung auf eine Light-Off-Temperatur möglich, um möglichst schnell nach dem Kaltstart eine effiziente Konvertierung der gasförmigen Schadstoffe zu ermöglichen. Durch die motornahe Anordnung des Partikelfilters 16 ist es möglich, mit geringen oder ganz ohne innermotorische Heizmaßnahmen eine Regenerationstemperatur T zu erreichen, bei welcher der im Partikelfilter 16 zurückgehaltene Ruß oxidiert werden kann. Durch die beiden Lambdasonden 24, 26 ist eine Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses λ möglich, wobei ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis λ = 1 eingeregelt wird, um eine möglichst emissionsarme Verbrennung von Kraftstoff in den Brennräumen des Verbrennungsmotors 10 und eine bestmöglich Abgasnachbehandlung zu realisieren.
In 8 ist die Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung mit einem Partikelfilter 16 und einem dem Partikelfilter 16 nachgeschalteten Drei-Wege-Katalysator 18 im Vergleich zu der Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC eines Vier-Wege-Katalysators 44 dargestellt, dem ein Drei-Wege-Katalysator 18 nachgeschaltet ist. Dabei ist jeweils die Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC über die Lebensdauer der Abgasnachbehandlungskomponenten 16, 18 und die damit verbundenen Alterungseffekte dargestellt. In der oberen Darstellung ist die Kombination aus Vier-Wege-Katalysator 44 und Drei-Wege-Katalysator 18 dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Vier-Wege-Katalysators 44 über die Lebenszeit t deutlich abnimmt, wodurch die Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC der Abgasnachbehandlungsvorrichtung über die Lebenszeit t abnimmt. Dabei ist eine Diagnose der Funktionalität des Drei-Wege-Katalysators erschwert und nur dann möglich, wenn die Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC des Vier-Wege-Katalysators 44 maximal 10% der Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_TWC des Drei-Wege-Katalysators 18 beträgt. In der unteren Darstellung ist die erfindungsgemäße Kombination aus einem Partikelfilter 16 ohne Sauerstoffspeicherfähigkeit sowie einem nachgeschalteten Drei-Wege-Katalysator 18 dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass die Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC der Abgasnachbehandlungsvorrichtung allein von der Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_TWC des Drei-Wege-Katalysators 18 abhängig ist und somit über Alterungsfaktoren kompensiert werden kann, wodurch über die Lebenszeit t der Abgasnachbehandlungsvorrichtung eine On-Board-Diagnose möglich ist.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Abgasanlage
14: Abgaskanal
16: Partikelfilter
18: erster Drei-Wege-Katalysator
20: zweiter Drei-Wege-Katalysator
22: katalytische Beschichtung
24: erste Lambdasonde
26: zweite Lambasonde
28: Gehäuse
30: Steuergerät
32: erste Signalleitung
34: zweite Signalleitung
36: erstes Umlenkelement
38: zweites Umlenkelement
40: Auslass
42: Sensoranordnung
44: Vier-Wege-Katalysator
D: Abstand zwischen Partikelfilter und erstem Drei-Wege-Katalysator
OPF: Otto-Partikelfilter
OSC: Sauerstoffspeicherfähigkeit
OSC_P: Sauerstoffspeicherfähigkeit des Partikelfilters
OSC_TWC: Sauerstoffspeicherfähigkeit des ersten Drei-Wege-Katalysators
T: Temperatur
TWC: Drei-Wege-Katalysator
FWC: Vier-Wege-Katalysator
λ: Verbrennungsluftverhältnis
λ₁: Abgasluftverhältnis an der ersten Lambdasonde
λ₂: Abgasluftverhältnis an der zweiten Lambdasonde

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 102013018208 A1 [0005]

Claims

Abgasnachbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor (10), mit einer Abgasanlage (12), welche mit einem Auslass (40) des Verbrennungsmotors (10) verbindbar ist, wobei die Abgasanlage (12) einen Abgaskanal (14) umfasst, in dem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors (10) durch den Abgaskanal (14) motornah ein Partikelfilter (16) und ein erster Drei-Wege-Katalysator (18) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (16) eine derart geringe Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC_P) aufweist, dass eine gemeinsame Diagnose von Partikelfilter (16) und erstem Drei-Wege-Katalysator (18) durch eine Sensoranordnung (42) zur Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses (λ) des Verbrennungsmotors (10) möglich ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC_P) des Partikelfilters (16) maximal zehn Prozent der Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC_TWC) des ersten Drei-Wege-Katalysators (18) beträgt.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (16) keine Sauerstoffspeicherfähigkeit aufweist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (16) in Strömungsrichtung eines Abgases durch die Abgasanlage (12) stromabwärts des Auslasses (40) des Verbrennungsmotors (10) als erstes emissionsminderndes Bauteil angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Drei-Wege-Katalysator (18) stromabwärts des Partikelfilters (16) angeordnet ist, wobei der erste Drei-Wege-Katalysator (18) die Hauptkomponente zur Umsetzung der gasförmigen Emissionen in der Abgasanlage (12) des Verbrennungsmotors (10) ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (16) ausschließlich zur Reduzierung der Partikelemissionen und frei von einer katalytisch wirksamen Beschichtung (22) ausgeführt ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (16) eine katalytisch wirksame Beschichtung (22) zur Unterstützung des Aufheizens des in der Abgasanlage (12) stromabwärts des Partikelfilters (16) angeordneten ersten Drei-Wege-Katalysators (18) oder des Partikelfilters (16) aufweist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch wirksame Beschichtung (22) des Partikelfilter (16) eine Edelmetallbeschichtung ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (42) eine erste Lambdasonde (24) aufweist, welcher stromabwärts des Auslasses (40) sowie stromaufwärts des Partikelfilters (16) und stromaufwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators (18) angeordnet ist, und dass die Sensoranordnung (42) eine zweite Lambdasonde (26) aufweist, welche stromabwärts des Partikelfilters (16) und stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators (18) angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (16) und der erste Drei-Wege-Katalysator (18) in einem gemeinsamen, motornahen Gehäuse (28) angeordnet sind.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Partikelfilter (16) und dem ersten Drei-Wege-Katalysator (18) oder zwischen dem ersten Drei-Wege-Katalysator (18) und dem Partikelfilter (16) der Abgaskanal (14) krümmungsfrei ausgeführt ist.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Partikelfilter (16) und dem ersten Drei-Wege-Katalysator (18) oder zwischen dem ersten Drei-Wege-Katalysator (18) und dem Partikelfilter (16) eine Umlenkung des Abgaskanals (14) um einen Umlenkwinkel (α) von 150° - 210° erfolgt.
Abgasnachbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgaskanal (14) stromabwärts des Partikelfilters (16) und stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators (18) ein zweiter Drei-Wege-Katalysator (20) angeordnet ist.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotor (10), in dessen Abgasanlage (12) motornah ein Partikelfilter (16) und ein erster Drei-Wege-Katalysator (18) angeordnet sind, umfassend folgende Schritte: - Betreiben des Verbrennungsmotors (10) in einem Normalbetrieb, wobei das Abgas des Verbrennungsmotors (10) durch einen motornahen Partikelfilter (16) und einen stromabwärts des motornahen Partikelfilters (16) angeordneten ersten Drei-Wege-Katalysator (18) gereinigt wird, wobei - in einem überstöchiometrischen Betrieb des Verbrennungsmotors (10) Sauerstoff in dem ersten Drei-Wege-Katalysator (18) eingespeichert wird, wobei - in der Abgasanlage (12) stromaufwärts des Partikelfilters (16) eine erste Sauerstoffkonzentration (λ₁) im Abgas ermittelt, und wobei - in der Abgasanlage (12) stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators (18) eine zweite Sauerstoffkonzentration (λ₂) im Abgas ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - der Partikelfilter (16) im Wesentlichen keine Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC_P) aufweist, sodass im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors (10) eine gemeinsame Funktionsanalyse des Partikelfilters (16) und des ersten Drei-Wege-Katalysators (18) durch das Ermitteln der Sauerstoffkonzentrationen (λ₁, λ₂) in der Abgasanlage (12) stromaufwärts des Partikelfilters (16) und stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators (18) erfolgt.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 14, wobei der Partikelfilter (16) zur Oxidation der im Partikelfilter (16) zurückgehaltenen Rußpartikel durch den Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10) auf eine Temperatur (T) von mindestens 600°C aufgeheizt wird.