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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors sowie ein Abgasnachbehandlungssystem zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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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 oder eines Vier-Wege-Katalysator notwendig macht. Im Fahrbetrieb wird ein solcher Vier-Wege-Katalysator mit Ruß beladen. Damit der Abgasgegendruck nicht zu stark ansteigt, muss dieser Vier-Wege-Katalysator 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 Vier-Wege-Katalysator 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. Ein Magerbetrieb des Ottomotors führt jedoch in der Regel zu einem Anstieg der Emissionen, insbesondere der Stickoxidemissionen, da diese bei einem Magerbetrieb ohne weitere Maßnahmen nicht mehr durch den Vier-Wege-Katalysator oder einen nachgeschalteten Drei-Wege-Katalysator in molekularen Stickstoff reduziert werden können.
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Um bei einer Regeneration des Vier-Wege-Katalysators einen Anstieg der Emissionen zu vermeiden, sind aus der
DE 10 2010 046 762 A1 ein System und ein Verfahren zum Regenerieren eines Partikelfilters in einer Abgasanlage eines direkteinspritzenden Ottomotors bekannt. Dabei wird zur Regeneration eines Partikelfilters oder eines Vier-Wege-Katalysators bei zeitlich unveränderten Amplituden der Eigenfrequenzregelung die Mittenlage der Lambdaregelung von einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis auf ein überstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis angehoben und der zusätzliche Sauerstoff im Abgas zur Regeneration des Partikelfilters oder Vier-Wege-Katalysators genutzt. Nachteilig an einer solchen Lösung ist jedoch, dass durch den zusätzlichen Sauerstoff primär der Sauerstoffspeicher des Vier-Wege-Katalysators oder des Partikelfilters gefüllt wird. Da bei einem Sauerstoffdurchbruch durch den Vier-Wege-Katalysator bereits auf ein unterstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis umgeschaltet wird, ist das vorgeschlagenen Verfahren nur bedingt geeignet, eine effektive Oxidation des im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußes zu ermöglichen.
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Aus der
DE 10 2010 047 415 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem im Abgaskanal des Verbrennungsmotors angeordneten Partikelfilter und einem stromabwärts des Partikelfilters angeordneten Drei-Wege-Katalysator bekannt. Dabei wird das Verbrennungsluftverhältnis mittels einer Lambdaregelung des Drei-Wege-Katalysator stromabwärts des Partikelfilters geregelt, um ein stöchiometrisches Abgas stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators sicherzustellen. Es erfolgt eine Regeneration des Partikelfilters in den überstöchiometrischen Betriebsabschnitten des Verbrennungsmotors. Da nach dem Befüllen des Sauerstoffspeichers des Vier-Wege-Katalysators wieder auf ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis umgeschaltet wird, kann keine effektive Regeneration des Rußes auf dem Vier-Wege-Katalysator erfolgen.
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Die
DE 11 2008 000 369 B4 offenbart einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung, bei welcher in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors in Strömungsrichtung des Abgases des Verbrennungsmotors ein Drei-Wege-Katalysator ohne einen Sauerstoffspeicher, ein Partikelfilter und ein Drei-Wege-Katalysator mit einem Sauerstoffspeicher angeordnet sind.
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Darüber hinaus ist aus der
EP 2 511 491 A1 ein Verbrennungsmotor bekannt, in dessen Abgasanlage ein Partikelfilter und stromabwärts des Partikelfilters ein Katalysator angeordnet ist. Es ist vorgesehen, dass der Partikelfilter durch einen alternierende Wechsel zwischen einem unterstöchiometrischen Abgas und einem überstöchiometrischen Abgas intermittierend regeneriert wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Regeneration eines Vier-Wege-Katalysator in einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors ohne einen Anstieg der Emissionen durchführen zu können, wobei die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren überwunden werden und die Effizienz der Regeneration verbessert wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, in dessen Abgasanlage ein Vier-Wege-Katalysator und stromabwärts des Vier-Wege-Katalysators ein Drei-Wege-Katalysator angeordnet sind, gelöst, welches folgende Schritte umfasst:
- - Betreiben des Verbrennungsmotors mit einem im Wesentlichen stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis, wobei die im Abgas des Verbrennungsmotors enthaltenen gasförmigen Schadstoffe durch den Vier-Wege-Katalysator und den Drei-Wege-Katalysator in unlimitierte Abgaskomponenten konvertiert und Rußpartikel in dem Vier-Wege-Katalysator zurückgehalten werden, wobei das Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors alternierend zwischen einem leicht unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis und einem leicht überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis wechselt,
- - Regenerieren des Vier-Wege-Katalysators, wenn eine festgelegte Schwelle der Rußbeladung des Vier-Wege-Katalysators erreicht ist, wobei die Phase des leicht überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses derart verlängert wird, bis nach einer vollständigen Befüllung des Sauerstoffspeichers des Vier-Wege-Katalysators ein Sauerstoffdurchbruch durch den Vier-Wege-Katalysator detektiert wird, wobei das leicht überstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis aufrecht erhalten bleibt, bis ein Sauerstoffspeicher des Drei-Wege-Katalysators im Wesentlichen vollständig befüllt ist,
- - Wechseln auf ein leicht unterstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis bis der Sauerstoffspeicher des Vier-Wege-Katalysators und der Sauerstoffspeicher des Drei-Wege-Katalysators im Wesentlichen ausgeräumt ist, und
- - erneutes Wechseln auf ein leicht überstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis, welches solange aufrecht erhalten bleibt, bis es erneut zu einem Sauerstoffdurchbruch durch den Vier-Wege-Katalysator kommt und der Sauerstoffspeicher des Drei-Wege-Katalysators im Wesentlichen vollständig befüllt ist, wobei
- - der Wechsel zwischen den vorhergehenden Verfahrensschritten solange wiederholt wird, bis eine Abbruchbedingung zur Regeneration des Vier-Wege-Katalysators erreicht ist.
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Unter einen im Wesentlichen stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis ist ein Verbrennungsluftverhältnis zu verstehen, welches alternierend mit kleiner Amplitude um einen Lambdawert von λ = 1 wechselt und somit im Mittel ein stöchiometrisches Abgas, insbesondere stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators, gewährleistet. Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren ist eine effiziente Regeneration und eine emissionsneutrale Regeneration des Vier-Wege-Katalysators möglich. Zudem wird durch die jeweils abgeschlossenen überstöchiometrischen Phasen während der Regeneration eine thermische Schädigung des Vier-Wege-Katalysators durch einen unkontrollierten Rußabbrand verhindert, sodass des vorgeschlagenen Verfahren auch bei hohen Filtertemperaturen und/oder hohen Filterbeladungen durchgeführt werden kann.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterbildungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors möglich.
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In bevorzugter Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Abbruchbedingung eine vollständige Regeneration des Vier-Wege-Katalysators, ein Unterschreiten einer Regenerationsschwelle des Vier-Wege-Katalysators oder eine Unterschreitung der Regenerationstemperatur des Vier-Wege-Katalysators ist. Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt, bis eine vollständige Regeneration des Vier-Wege-Katalysators erreicht ist. Alternativ kann die Regeneration auch abgebrochen werden, wenn die zur Regeneration des Vier-Wege-Katalysators notwendige Temperatur nicht mehr aufrecht erhalten werden kann.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Regenerationsphase des Vier-Wege-Katalysators eine Heizphase vorgeschaltet ist. Liegt die Temperatur des Vier-Wege-Katalysators bei einer Regenerationsanforderung des Vier-Wege-Katalysators unterhalb einer zur Regeneration notwendigen Temperatur, wird der Regenerationsphase eine Heizphase vorgeschaltet. Die Heizphase kann durch bekannte innermotorische Maßnahmen, insbesondere durch einen Lambda-Split-Betrieb und/oder eine Zündwinkelverstellung in Richtung spät realisiert werden.
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Dabei wird während der Heizphase des Vier-Wege-Katalysators zumindest ein Brennraum des Verbrennungsmotors mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis und mindestens ein weiterer Brennraum mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben, wobei sich stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors ein im Wesentlichen stöchiometrisches Abgas einstellt und die unverbrannten Kohlenwasserstoffe aus dem mit unterstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis betriebenen Brennraum mit dem Restsauerstoff aus dem mit überstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis betriebenen Brennraum exotherm an der katalytisch wirksamen Oberfläche des Vier-Wege-Katalysators reagieren. Dadurch ist eine besonders effiziente Heizphase möglich, wodurch die Regenerationstemperatur des Vier-Wege-Katalysators besonders schnell und effizient erreicht wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass während der Regeneration des Vier-Wege-Katalysators zumindest ein Brennraum des Verbrennungsmotors mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis und mindestens ein weiterer Brennraum mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben werden, wobei sich stromabwärts eines Auslasses des Verbrennungsmotors ein im Wesentlichen stöchiometrisches Abgas einstellt und die unverbrannten Kohlenwasserstoffe aus dem mit unterstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis betriebenen Brennraum mit dem Restsauerstoff aus dem mit überstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis betriebenen Brennraum exotherm in der Abgasanlage, insbesondere an der katalytisch wirksamen Oberfläche des Vier-Wege-Katalysators, reagieren. Durch einen Lambda-Split-Betrieb während der Regeneration kann ein Auskühlen des Vier-Wege-Katalysators, insbesondere in den unterstöchiometrischen Abschnitten, vermieden werden. Dadurch wird der Vier-Wege-Katalysator auf der Regenerationstemperatur gehalten und es erfolgt kein vorzeitiger Abbruch der Regeneration des Vier-Wege-Katalysators, weil die Regenerationstemperatur nicht gehalten werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das leicht unterstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis des alternierenden Wechsels in einem λ-Bereich zwischen 0,95 und 0,99 liegt. Durch ein leicht unterstöchiometrisches Verhältnis wird erreicht, dass die Sauerstoffspeicher des Vier-Wege-Katalysators und der Drei-Wege-Katalysators ausgeräumt werden, ohne dass es bei dem unterstöchiometrischen Betrieb zu einer verstärkten Rußbildung in den Brennräumen des Verbrennungsmotors kommt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das leicht überstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis des alternierenden Wechsels in einem λ-Bereich zwischen 1,01 und 1,05 liegt. Durch ein leicht überstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis kann eine kontrollierte Regeneration des Vier-Wege-Katalysators erreicht werden, wobei die Drei-Wege-Funktionalität des Drei-Wege-Katalysators vollständig erhalten bleibt und eine wirksame Abgasnachbehandlung ohne eine Emissionsverschlechterung während der Regeneration des Vier-Wege-Katalysators möglich ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das leicht überstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis nach einem Sauerstoffdurchbruch durch den Vier-Wege-Katalysator aufrecht gehalten wird, bis der Sauerstoffspeicher des dem Vier-Wege-Katalysator nachgeschalteten Drei-Wege-Katalysators zu max. 90 Prozent befüllt ist. Durch eine kurze Betriebsphase nach vollständiger Füllung der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Vier-Wege-Katalysators ist in dieser Phase ein effizienter Rußumsatz und somit eine effiziente Regeneration des Vier-Wege-Katalysators möglich, ohne dass es zu einem Sauerstoffdurchbruch und einer damit verbundenen Emissionsverschlechterung durch den Drei-Wege-Katalysator kommt.
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Besonders bevorzugt ist dabei, wenn spätestens nach einer 90-prozentigen Befüllung des Sauerstoffspeichers des dem Vier-Wege-Katalysator nachgeschalteten Drei-Wege-Katalysator nach einem Sauerstoffdurchbruch durch den Vier-Wege-Katalysator auf ein stöchiometrisches oder unterstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis, insbesondere ein leicht unterstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis, umgeschaltet wird. Durch einen Abbruch des leicht überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses bei fast vollständiger Befüllung des Sauerstoffspeichers des Drei-Wege-Katalysators nach einem Sauerstoffdurchbruch durch den Vier-Wege-Katalysator kann vermieden werden, dass es zu einem Sauerstoffdurchbruch durch den nachgeschalteten Drei-Wege-Katalysator und somit zu einer Emissionsverschlechterung kommt. Da die Befüllung des Sauerstoffspeichers des Drei-Wege-Katalysators modellbasiert ermittelt wird, können zudem kleine Abweichungen in dem Berechnungsmodell kompensiert werden, ohne dass es zu einem Sauerstoffdurchbruch durch den Drei-Wege-Katalysator kommt. Zudem kann vermieden werden, dass es bei einer hohen Rußbeladung des Vier-Wege-Katalysator zu einem unkontrollierten Rußabbrand und damit verbunden zu einer Bauteilschädigung des Vier-Wege-Katalysators kommt.
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Erfindungsgemäß wird ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasanlage in welcher in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors durch die Abgasanlage stromabwärts eines Vier-Wege-Katalysators ein Drei-Wege-Katalysator angeordnet ist, vorgeschlagen, wobei ein Steuergerät des Abgasnachbehandlungssystems, insbesondere ein Steuergerät des Verbrennungsmotors, dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode auf dem Steuergerät ausgeführt wird. Durch ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem kann ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Abgasnachbehandlung umgesetzt werden.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in der Abgasanlage stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators eine Breitband-Lambdasonde und stromabwärts des Vier-Wege-Katalysators und stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators eine Sprunglambdasonde angeordnet ist. Durch eine Breitband-Lambdasonde stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators kann das Verbrennungsluftverhältnis im Abgaskanal vergleichsweise genau gemessen werden und somit das Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors geregelt werden. Durch eine Sprungsonde kann auf einfache und kostengünstige Weise ein Sauerstoffdurchbruch oder ein Fettdurchbruch durch den Vier-Wege-Katalysator detektiert werden. Dadurch kann der Zeitpunkt detektiert werden, wann ein Umschalten von einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis auf ein unterstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis oder andersrum notwendig ist.
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In einer weiteren Verbesserung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass der Vier-Wege-Katalysator motornah als erste Komponente des Abgasnachbehandlungssystems und der Drei-Wege-Katalysator in Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges angeordnet sind. Unter einer motornahen Anordnung ist in diesem Zusammenhang eine Anordnung mit einem Abstand von weniger als 80 cm, vorzugsweise von weniger als 50 cm, Abgaslauflänge ab einem Auslass des Verbrennungsmotors zu verstehen. Durch eine motornahe Anordnung des Vier-Wege-Katalysator kann der Vier-Wege-Katalysator vergleichsweise schnell und energieeffizient auf die Regenerationstemperatur aufgeheizt werden. Durch den Drei-Wege-Katalysator in Unterbodenlage kann ein möglichst großes Katalysatorvolumen realisiert werden, da in Unterbodenlage vergleichsweise viel Bauraum vorhanden ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Drei-Wege-Katalysators größer als die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Vier-Wege-Katalysators ist. Durch eine größere Sauerstoffspeicherfähigkeit des Drei-Wege-Katalysators kann die überstöchiometrische Phase nach einem Sauerstoffdurchbruch durch den Vier-Wege-Katalysator verlängert werden, wodurch pro Regenerationszyklus mehr Ruß oxidiert werden kann.
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In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Drei-Wege-Katalysator ein vergrößertes Wash-Coat-Volumen aufweist. Durch ein vergrößertes Wash-Coat-Volumen kann die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Drei-Wege-Katalysators vergrößert werden, wodurch die Regenerationsphase verlängert werden kann.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Dabei sind gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion in den Zeichnungen jeweils mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems eines Verbrennungsmotors;
- 2 ein Diagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, bei dem das Verbrennungsluftverhältnis und die Sondenspannung an einer Lambdasonde über der Zeit aufgetragen sind;
- 3 den Temperaturverlauf in der Abgasanlage während der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors.
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1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 für ein Kraftfahrzeug, welcher als ein mit Zündkerzen 38 fremdgezündeter Verbrennungsmotor 10 nach dem Ottoprinzip ausgeführt ist. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Auslass 40 mit einer Abgasanlage 12 verbunden. Der Auslass 40 umfasst einen Abgaskrümmer, welcher die Abgase der unterschiedlichen Brennräume 22, 24, 26, 28 des Verbrennungsmotors 10 einem Abgaskanal 36 der Abgasanlage 12 zuführt. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Einlass 42 mit einem Luftversorgungssystem 44 verbunden. Das Luftversorgungssystem 44 weist einen Verdichter 46 eines Turboladers 20 auf, mit welchem die angesaugte Luft verdichtet und den Brennräumen 22, 24, 26, 28 des Verbrennungsmotors 10 zugeführt wird. Stromabwärts des Verdichters 46 ist in dem Luftversorgungssystem 44 eine erste Drosselklappe 48 angeordnet, mit welcher die Luftzufuhr zu den Brennräumen 12 des Verbrennungsmotors 10 gesteuert wird.
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Die Abgasanlage 12 weist einen Abgaskanal 36 auf, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch die Abgasanlage 12 eine Turbine 18 des Turboladers 20, stromabwärts der Turbine 18 ein Vier-Wege-Katalysator 14 und weiter stromabwärts ein Drei-Wege-Katalysator 16 angeordnet sind. Stromabwärts der Turbine 18 des Turboladers 20 und stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators 14 ist eine erste Lambdasonde 32 angeordnet, welche vorzugsweise als Breitband-Lambdasonde 32 ausgeführt ist. Stromabwärts des Vier-Wege-Katalysators 14 und stromaufwärts des Drei-Wege-Katalysators ist in dem Abgaskanal 36 eine zweite Lambdasonde 34 angeordnet, welche vorzugsweise als Sprung-Lambdasonde ausgeführt ist.
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Im Betrieb des Verbrennungsmotors 10, insbesondere in einem Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeuges, wird der Vier-Wege-Katalysator 14 mit Ruß beladen. Damit das Abgasgegendruckniveau in der Abgasanlage 12 nicht zu weit ansteigt, muss der Vier-Wege-Katalysator 14 periodisch regeneriert werden. Um eine thermische Oxidation des im Vier-Wege-Katalysators 14 zurückgehaltenen Rußes durchzuführen, ist ein ausreichendes Temperaturniveau bei gleichzeitigem Vorliegen von Restsauerstoff im Abgas notwendig.
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Wird eine festgelegte Schwelle der Rußbeladung des Vier-Wege-Katalysators 14 detektiert, was vorzugsweise durch ein Berechnungsmodell zum Rußeintrag und Rußaustrag aus dem Vier-Wege-Katalysator 14 oder eine Differenzdruckmessung über den Vier-Wege-Katalysator 14 erfolgt, wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Abgasnachbehandlung eingeleitet, mit welchem eine emissionsneutrale, aktive Regeneration eines motornahen Vier-Wege-Katalysators 14 durchgeführt werden kann. Dabei wird sichergestellt, dass es zu keinen Lambdadurchbrüchen durch den Drei-Wege-Katalysator 16 und einer damit verbundenen Emissionsverschlechterung kommt.
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Wird eine aktive Regeneration des Vier-Wege-Katalysators 14 angefordert, ist zunächst eine ausreichende Temperatur, insbesondere eine Temperatur von mindestens 600°C, des Vier-Wege-Katalysators 14 sicherzustellen. Dazu kann der Regenerationsphase eine Heizphase vorgeschaltet werden. Das Aufheizen des Vier-Wege-Katalysators 14 kann durch verschiedenen bekannte innermotorische Maßnahmen wie beispielsweise eine Zündwinkelverstellung in Richtung spät oder einen sogenannte Lambda-Split-Betrieb, bei dem eine erste Gruppe von Brennräumen 22, 24 mit einem überstöchiometrischen (mageren) und eine zweite Gruppe von Brennräumen 26, 28 mit einem unterstöchiometrischen (fette) Verbrennungsluftbetrieb betrieben werden, erfolgen. Liegt ein ausreichendes Temperaturniveau zur Oxidation des im Vier-Wege-Katalysators 14 eingelagerten Rußes vor, beispielsweise bei einer hochlastigen Autobahnfahrt, kann auf die Heißmaßnahme verzichtet werden. Weiterhin ist für eine Oxidation des eingelagerten Rußes ein Sauerstoffüberschuss im Abgas notwendig. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt nun bei ausreichender Temperatur auf dem motornah verbauten Vier-Wege-Katalysator 14 einen Sauerstoffüberschuss zur Rußoxidation bereit und vermeidet gleichzeitig emissionsverschlechternde Lambdadurchbrüche durch den stromabwärts des Vier-Wege-Katalysators 14 verbauten Drei-Wege-Katalysator 16. Der Sauerstoffspeicher OSC4WC zeigt eine höhere Aktivität als der Kohlenstoff des Rußes, daher findet eine Oxidation des eingelagerten Rußes erst dann statt, wenn der Sauerstoffspeicher OSC4WC des Vier-Wege-Katalysators 14 vollständig gefüllt ist. Dies ist entscheidend und wird durch das vorgeschlagene Verfahren berücksichtigt.
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Bei einer ottomotorischen Lambdaregelung gibt es verschiedene Regelstrategien je nach Konfiguration der Abgasanlage und den jeweiligen gesetzlichen Vorgaben. Generell wird ein im Wesentlichen stöchiometrisches Lambda in den Brennräumen 22, 24, 26, 28 intermittierend von leicht unterstöchiometrisch 0,95 < λ < 0,99 nach leicht überstöchiometrisch 1,01 < λ < 1,05 verstellt. Dies ist die sogenannte Zwangsamplitude und ist notwendig für den optimalen Betrieb des Drei-Wege-Katalysators und des Vier-Wege-Katalysators, da so die Sauerstoffspeicher OSC4WC und OSCTWC genutzt werden kann und ein mittleres Verbrennungsluftverhältnis von λ = 1 sicher eingestellt werden kann. Bei Systemen mit nur einem Katalysator 14, 16 darf die jeweilige Fett- und Magerphase jeweils nicht so lange gehalten werden, dass der Sauerstoffspeicher vollständig gefüllt oder entleert ist. Dies hätte ein von Lambda = 1 abweichendes Verbrennungsluftverhältnis hinter dem Katalysator 14, 16 zur Folge, welches die Emissionen verschlechtert. Bei einem vorgeschlagenen Abgasnachbehandlungssystem mit einem Vier-Wege-Katalysator 14 und einem nachgeschalteten Drei-Wege-Katalysator 16 kann die Zwangsamplitude so lange gefahren werden, bis ein Durchbruch der jeweiligen Lambdaverstellung nach dem Vier-Wege-Katalysator 14 messbar ist, um unmittelbar danach wieder in die jeweils andere Richtung zu verstellen, was als Eigenfrequenzregelung bezeichnet wird. Der Drei-Wege-Katalysator 16 stromabwärts des Vier-Wege-Katalysators 14 puffert in diesem Falle die Lambdadurchbrüche mit seiner eigenen Sauerstoffspeicherfähigkeit OSCTWC ab. Dies stellt die optimale Ausnutzung der Dreiwegefunktionalität der Katalysatoren 14, 16 sicher. Dabei wird stets ein stöchiometrisches Abgas λ = 1 stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 16 sichergestellt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erweitert die bestehende Eigenfrequenzregelung mit der Erkenntnis des Zusammenhangs von Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC4WC des Vier-Wege-Katalysators 14 und beginnender Oxidation des im Vier-Wege-Katalysators 14 zurückgehaltenen Rußes in der Art, sodass eine emissionsneutrale Regeneration des Vier-Wege-Katalysators 14 erfolgen kann. Die bekannte Zwangsamplitude, also der Wechsel von leicht unterstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis und leicht überstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis und zurück wird nun in der Art verändert, dass die Amplitude und die Phasenlänge der Lambdaverstellung vergrößert wird. Die Lambdaverläufe des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in 2 dargestellt. Somit wird die Phase II a des überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses solange verlängert, bis der Sauerstoffspeicher OSC4WC des Vier-Wege-Katalysators 14 vollständig gefüllt ist, sodass es zu einem Sauerstoffdurchbruch durch den Vier-Wege-Katalysator 14 kommt, welcher an der zweiten Lambdasonde 34 detektiert werden kann. Ab diesem Zeitpunkt kann in einer Phase II b die Oxidation des Rußes auf dem Vier-Wege-Katalysator 14 beginnen. Nun wird nicht, wie bei einer Eigenfrequenzregelung, sofort wieder auf ein unterstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis umgeschaltet, sondern der überstöchiometrische Betrieb für weitere 2 bis 10 Sekunden aufrechterhalten, bis der Sauerstoffspeicher OSCTWC des Drei-Wege-Katalysators 16 zu maximal 90 Prozent gefüllt ist. Da die Befüllung des Sauerstoffspeichers OSCTWC des Drei-Wege-Katalysators 16 durch ein Berechnungsmodell erfolgt, ist es sinnvoll, hier einen Abstand von der maximal möglichen Beladung zu halten, um auch Fehler aus einem Berechnungsmodell abfedern zu können, ohne dass es zu einem emissionsverschlechternden Sauerstoffdurchbruch durch den Drei-Wege-Katalysator 16 kommt. Je länger der Vier-Wege-Katalysator 14 mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis durchströmt wird, desto mehr Ruß kann oxidiert werden. Dies kann allerdings nur so lange gehalten werden, bis die Sauerstoffspeicherfähigkeit OSCTWC des Drei-Wege-Katalysators 16 stromabwärts des Vier-Wege-Katalysators 14 beinahe vollständig gefüllt ist. Aus diesem Grund ist die Sauerstoffspeicherfähigkeit OSCTWC des Drei-Wege-Katalysators 16 ausreichend groß und möglichst größer als die Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC4WC des Vier-Wege-Katalysators 14 auszulegen, um das erfindungsgemäße Verfahren durchführen zu können. Die Steuerung dafür erfolgt zeitgesteuert oder modellbasiert durch das Steuergerät 30 des Verbrennungsmotors 10. Dadurch ist sichergestellt, dass das Verbrennungsluftverhältnis hinter dem Drei-Wege-Katalysator 16 konstant bei λ = 1 liegt. Die darauffolgende Phase II c des unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses muss so lange aufrecht gehalten werden bis die Sauerstoffspeicher OSC4WC und OSCTWC des Vier-Wege-Katalysators 14 und des Drei-Wege-Katalysators 16 wieder fast vollständig entleert sind und somit für die nächste Regenerationsphase II a mit überstöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis bereit ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist dazu geeignet, auch hohe Filterbeladungen zu regenerieren, die in herkömmlichen Regenerationsverfahren, beispielsweise bei Schubabschaltung des Verbrennungsmotors, zu Bauteilschädigungen des Vier-Wege-Katalysators 14 führen könnten. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren treten aufgrund der kurzen Regenerationsphasen und dem geringen Sauerstoffüberschuss nur geringe Umsatzraten auf, welche kaum zu einer Erhöhung der Temperatur des Vier-Wege-Katalysators 14 führen und somit eine thermische Schädigung des Vier-Wege-Katalysators 14 vermeiden. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Abgasnachbehandlung wird so oft wiederholt und so lange durchgeführt, bis die Regeneration des Vier-Wege-Katalysators 14 abgeschlossen ist.
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In 3 ist der Temperaturverlauf bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Abgasnachbehandlung an mehreren Orten in der Abgasanlage 12 dargestellt. Dabei zeigt die Kurve A den Temperaturverlauf vor dem Vier-Wege-Katalysator 14, die Kurve B den Temperaturverlauf in der Mitte des Vier-Wege-Katalysators 14, die Kurve C an einer weiteren Stelle des Vier-Wege-Katalysators 14, die Kurve D die Temperatur an der heißesten Stelle des Vier-Wege-Katalysators 14 und Kurve E die Temperatur stromabwärts des Vier-Wege-Katalysators 14. Dabei ist die Aufheizphase als Phase I und die Regenerationsphase als Phase II gekennzeichnet. Während der Aufheizphase I und während der Regenerationsphase II wird der Verbrennungsmotor 10 vorzugsweise mit einem Lambda-Split-Betrieb betrieben, wodurch eine Aufheizung des Vier-Wege-Katalysators 14 auf die Regenerationstemperatur Treg erfolgt. Nach der Regeneration des Vier-Wege-Katalysators 14 wird der Verbrennungsmotor 10 in einer Phase III wieder ohne zusätzliche Heizmaßnahmen mit einem im Wesentlichen stöchiometrischen Verbrennungsluftbetrieb betrieben.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Abgasanlage
- 14
- Vier-Wege-Katalysator
- 16
- Drei-Wege-Katalysator
- 18
- Turbine
- 20
- Abgasturbolader
- 22
- Brennraum
- 24
- Brennraum
- 26
- Brennraum
- 28
- Brennraum
- 30
- Steuergerät
- 32
- erste Lambdasonde / Breitbandsonde
- 34
- zweite Lambdasonde / Sprungsonde
- 36
- Abgaskanal
- 38
- Zündkerze
- 40
- Auslass
- 42
- Einlass
- 44
- Luftversorgungssystem
- 46
- Verdichter
- 48
- Drosselklappe
- 4WC
- Vier-Wege-Katalysator
- TWC
- Drei-Wege-Katalysator
- OSC4WC
- Sauerstoffspeicher des Vier-Wege-Katalysators
- OSCTWC
- Sauerstoffspeicher des Drei-Wege-Katalysators
- λ
- Verbrennungsluftverhältnis
- λv4WC
- Verbrennungsluftverhältnis stromaufwärts des Vier-Wege-Katalysators
- λnTWC
- Verbrennungsluftverhältnis stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators
- s
- Sekunde
- t
- Zeit
- T
- Temperatur
- Treg
- Regenerationstemperatur des Vier-Wege-Katalysators
- U
- Spannung an der Lambdasonda stromabwärts des Vier-Wege-Katalysators
- I
- Phase 1 / Aufheizphase
- II
- Phase 2 / Regenerationsphase
- II a
- überstöchiometrischer Betrieb in Phase II
- II b
- überstöchiometrischer Betrieb mit Regeneration in Phase II
- II c
- unterstöchiometrischer Betrieb in Phase II
- III
- Phase 3
