DE102019101394A1

DE102019101394A1 - Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor und Verfahren zum Betreiben derselben

Info

Publication number: DE102019101394A1
Application number: DE102019101394.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Kaack; Stefan PAUKNER; Falk-Christian Baron von Ceumern-Lindenstjerna; Tolga Bozalp
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2019-01-21
Filing date: 2019-01-21
Publication date: 2020-07-23
Also published as: CN111502802B; EP3683414A1; EP3683414B1; CN111502802A; US20200232359A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage (2) für einen Verbrennungsmotor (10), die eine erste, motornahe Abgasreinigungseinrichtung (21) und eine zweite, motorferne Abgasreinigungseinrichtung (22) umfasst, wobei die zweite Abgasreinigungseinrichtung (22) durch eine Kombination eines vorgeschalteten Brenners (27) sowie einer elektrischen Heizeinrichtung (29) beheizbar ist. Zum Erwärmen der Abgasreinigungseinrichtungen (21, 22) nach einem Motorstart wird der Verbrennungsmotor (10) mit zumindest einer innermotorischen Maßnahme zur Anhebung der Abgastemperatur betrieben, und der Brenner (27) und die elektrische Heizeinrichtung (28) zur Aufheizung der zweiten Abgasreinigungseinrichtung (22) zeitgleich oder zeitlich versetzt aktiviert, wobei ein in die zweite Abgasreinigungseinrichtung (22) eintretendes Mischgas auf einen stöchiometrischen Lambdawert eingestellt wird. Die Erfindung ermöglicht ein beschleunigtes Aufheizen der Abgasreinigungseinrichtungen und somit eine Verminderung von Startemissionen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zum Betreiben der Abgasanlage bei Vorliegen eines Niedrigtemperaturzustands zum Aufheizen von Abgasreinigungseinrichtungen der Abgasanlage.
Katalytische Abgasreinigungseinrichtungen, die in Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen eingesetzt werden, benötigen eine Betriebstemperatur, um wirksam zu sein. Die Betriebstemperatur ist insbesondere durch eine katalysatorspezifische Lightoff-Temperatur gekennzeichnet, mit der eine Temperatur definiert wird, ab der 50 % der eintretenden Emissionen konvertiert werden. Da katalytische Abgasreinigungseinrichtungen ihre Lightoff-Temperatur nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors in der Regel noch nicht aufweisen, sind verschiedene Abgastemperatur anhebende Maßnahmen bekannt, um ein schnelles Aufheizen zu erreichen. Hierzu zählen beispielsweise Zündwinkelspätverstellung, Sekundärluftzufuhr in Kombination mit einem unterstöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisch des Verbrennungsmotors, elektrische Beheizung, Kraftstoffspät- und -nacheinspritzung und die Installation von Brennern in den Abgasstrang. Diese Verfahren ermöglichen nur eine begrenzte Heizleistung und sind an bestimmte Betriebsbedingungen gebunden, die ihre Einsatzmöglichkeit einschränken.
Aus EP 2646 662 B1 ist eine Abgasanlage mit einem SCR-Katalysator bekannt, bei der stromauf eines Harnstoff-Injektors eine Bypass-Leitung vom Abgaskanal abzweigt, über die ein Teilstrom des Abgases in ein Teilvolumen des SCR-Katalysators mündet, welcher von dem übrigen Volumen des SCR-Katalysators getrennt ausgebildet ist. In der Bypass-Leitung ist eine Heizvorrichtung angeordnet, mit welcher der Teilstrom des Abgases vor Eintritt in den SCR-Katalysator erwärmt werden kann. Auf diese Weise kann in Teilvolumen des SCR-Katalysators ein schneller Light-Off erzielt werden. Die Heizvorrichtung kann als elektrischer Heizer, Brenner oder dergleichen ausgebildet sein.
US 9,784,157 B2 beschreibt eine Abgasanlage mit einem HC-SCR-Katalysator, der Stickoxide in Gegenwart eines stromauf des HC-SCR-Katalysators eingespritzten Kohlenwasserstoffs HC wie Diesel oder Benzin katalytisch umsetzt. Um den HC-SCR-Katalysator von Kohlenwasserstoffablagerungen zu regenerieren, ist ihm eine Heizeinrichtung zur Aufheizung des Abgasstroms vorgeschaltet. Die Heizeinrichtung kann als eine Kombination eines Dieseloxidationskatalysators (DOC) mit vorgeschalteter Kohlenwasserstoff-Einspritzung ausgebildet sein, sodass der eingespritzte Kohlenwasserstoff exotherm auf dem DOC verbrennt. Anstelle des DOC kann der eingespritzte Kohlenwasserstoff in einem im Abgaskanal angeordneten Brenner exotherm verbrannt werden. Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung ist die Heizeinrichtung in Form einer elektrischen Widerstandsheizung ausgebildet.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Abgasanlage zur Verfügung zu stellen, die ein schnelleres Erreichen der Betriebstemperaturen der Katalysatoren und dadurch eine Verminderung der Startemissionen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zum Betreiben von dieser mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die erfindungsgemäße Abgasanlage umfasst eine erste, von einem Abgas des Verbrennungsmotors durchströmbare Abgasreinigungseinrichtung und eine zweite, im Abgasströmungsweg stromab der ersten Abgasreinigungseinrichtung angeordnete, von dem Abgas durchströmbare Abgasreinigungseinrichtung. Die zweite Abgasreinigungseinrichtung weist eine elektrische Heizeinrichtung zur Erwärmung der zweiten Abgasreinigungseinrichtung auf. Die Abgasanlage umfasst ferner einen im Abgasströmungsweg stromab der ersten Abgasreinigungseinrichtung und stromauf der zweiten Abgasreinigungseinrichtung angeordneten Brenner, der eingerichtet ist, mit einem Brennstoff und einem oxidativen Gasstrom betrieben zu werden, um durch Verbrennung des Brennstoff den Gasstrom zu erwärmen und der zweiten Abgasreinigungseinrichtung zuzuführen.
Indem zur Beheizung der zweiten, relativ motorfern angeordneten Abgasreinigungseinrichtung eine Kombination von zwei Heizmaßnahmen vorgesehen ist, umfassend den Brenner und die elektrische Heizeinrichtung, ist eine sehr schnelle Aufheizung der zweiten Abgasreinigungseinrichtung möglich. Durch die elektrische Heizeinrichtung wird zumindest ein kleines Katalysatorvolumen sehr schnell aktiviert. Durch die exotherme Aktivität dieses kleinen Katalysatorvolumens kann dann das weitere Volumen zusammen mit der Brennerheizung emissionsarm mit hoher Heizleistung aufgeheizt und aktiviert werden. Durch die hohe additive Heizleistung kann die zweite Abgasreinigungseinrichtung auch bei großem Katalysatorvolumen sehr schnell auf ihre Lightoff-Temperatur aufgeheizt werden, sodass Startemissionen bei einem Kaltstart reduziert werden. Da diese Heizmaßnahmen außermotorisch, also unabhängig von der Betriebsweise des Verbrennungsmotors funktionieren, kann der Verbrennungsmotor in dieser Phase beliebig betrieben werden, beispielsweise auch mit hoher Anfahrtsdynamik. Dank der hohen Heizleistung kann die zweite Abgasreinigungseinrichtung trotz ihrer motorfernen Einbaulage, beispielsweise an einer Unterbodenposition des Fahrzeugs, und ihres relativ großen Volumens noch vor der ersten, motornahen Abgasreinigungseinrichtung ihre Lightoff-Temperatur erreichen und somit als erste die Konvertierungsleistung übernehmen. Zwar ist die durch die beiden Heizmaßnahmen verursachte thermische Belastung der zweiten Abgasreinigungseinrichtung vergleichsweise hoch, jedoch kann dies toleriert werden, da im regulären Fahrbetrieb auch bei hohen Lasten die thermische Belastung an der motorfernen Einbaulage gering ist. Somit wird die Alterungsstabilität der zweiten Abgasreinigungseinrichtung trotz des hohen Energieeintrags beim Kaltstart nicht signifikant beeinträchtigt. Zudem ist eine bedarfsgerechte Variation der Heizleistung auf die zweite Abgasreinigungseinrichtung möglich. Schließlich erlaubt der Brenner eine individuelle Einstellung der Verbrennungsluftverhältnisse (Lambdawert) über die zweite Abgasreinigungseinrichtung, die unabhängig von der motorischen Lambdaregelung über der ersten Abgasreinigungseinrichtung ist. Dies ermöglicht eine hohe Konvertierungsleistung beider Abgasreinigungseinrichtungen.
Dabei wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung unter dem Begriff Abgasreinigungseinrichtung eine Vorrichtung verstanden, die mindestens eine Abgaskomponente aus einem verbrennungsmotorischen Abgas zu vermindern vermag, sodass die Konzentration dieser Abgaskomponente in den in die Umgebung abgegebenen Emissionen reduziert ist. Insbesondere handelt es sich um eine chemisch-katalytische Umsetzung der betreffenden Abgaskomponente. Vorzugsweise umfasst die Abgasreinigungseinrichtung eine katalytisch aktive Komponente in Form einer katalytischen Beschichtung, die für ihre Funktion eine Mindesttemperatur (Lightoff-Temperatur) benötigt.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Abgasreinigungseinrichtung an einer motornahen Position angeordnet ist, insbesondere so, dass eine Abgaslauflänge zwischen Zylinderauslass des Verbrennungsmotors und Eintrittsfläche der ersten Abgasreinigungseinrichtung höchstens 50 cm, insbesondere höchstens 40 cm, vorzugsweise höchstens 30 cm, beträgt. Durch eine derartige motornahe Anordnung, wird die Beaufschlagung der ersten Abgasreinigungseinrichtung mit sehr hohen Abgastemperaturen gewährleistet, sodass die erste Abgasreinigungseinrichtung nach einem Motorstart schnell auf ihre Lightoff-Temperatur aufgeheizt werden kann und dieses Temperaturniveau im weiteren Betrieb aufrechterhalten werden kann.
Vorzugsweise ist die zweite Abgasreinigungseinrichtung an einer motorfernen Unterbodenposition angeordnet, insbesondere so, dass eine Abgaslauflänge zwischen Zylinderauslass des Verbrennungsmotors und Eintrittsfläche in die zweite Abgasreinigungseinrichtung mindestens 80 cm, insbesondere mindestens 100 cm, bevorzugt mindestens 120 cm beträgt. Die Anordnung an einer Unterbodenposition hat den Vorteil, dass hier die verfügbaren Bauräume größer sind als im motornahen Motorraum, sodass auch große Katalysatorvolumina untergebracht werden können. Zudem ist aufgrund der geringeren Abgastemperaturen an dieser Position die thermische Belastung der zweiten Abgasreinigungseinrichtung und somit ihre Alterung reduziert. Üblicherweise weist somit die zweite Abgasreinigungseinrichtung ein größeres Volumen als die erste Abgasreinigungseinrichtung auf.
Gemäß einer Ausführung der Erfindung ist die erste Abgasreinigungseinrichtung ein Drei-Wege-Katalysator. Drei-Wege-Katalysatoren weisen eine katalytische Beschichtung auf, welche die Abgaskomponenten Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid sowie Stickoxide bei stöchiometrischer Abgaszusammensetzung mit einer hohen Konvertierungsrate zu konvertieren vermag. Drei-Wege-Katalysatoren sind daher bei Ottomotoren vorteilhaft. Alternativ ist die erste Abgasreinigungseinrichtung ein Vier-Wege-Katalysator. Hierunter versteht man einen Partikelfilter, insbesondere einen Ottopartikelfilter, der eine dreiwegekatalytische Beschichtung aufweist. Somit vermag der Vier-Wege-Katalysator zusätzlich zu den drei vorgenannten Abgaskomponenten auch Partikelemissionen zu verringern und ist ebenfalls für Ottomotoren geeignet.
Bevorzugt ist auch die zweite Abgasreinigungseinrichtung ein Drei-Wege-Katalysator, der sich durch die gleichen katalytischen Eigenschaften und Vorzüge wie für die die erste Abgasreinigungseinrichtung beschrieben auszeichnet.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abgasanlage ferner eine stromauf der ersten Abgasreinigungseinrichtung angeordnete Messeinrichtung zur Messung eines Sauerstoffgehalts des Abgases und/oder eine stromab der ersten Abgasreinigungseinrichtung und stromab des Brenners angeordnete Messeinrichtung zur Messung eines Sauerstoffgehalts des Abgases umfasst, die vorzugsweise beide als Lambdasonden ausgebildet sind. Vorzugsweise sind beide Messeinrichtung vorgesehen. Durch die erste Messeinrichtung kann eine besonders schnelle Regelung des verbrennungsmotorischen Lambdawerts erfolgen. Die der ersten Abgasreinigungseinrichtung nachgeschaltete zweite Messeinrichtung dient einerseits der Funktionsüberwachung der ersten Abgasreinigungseinrichtung und andererseits ebenfalls der Regelung des verbrennungsmotorischen Lambdawerts
Gemäß weiterer bevorzugter Ausgestaltung umfasst die Abgasanlage ferner eine stromab des Brenners und stromauf der zweiten Abgasreinigungseinrichtung (also zwischen Brenner und zweiter Abgasreinigungseinrichtung) angeordnete dritte Messeinrichtung zur Messung eines Sauerstoffgehalts des Abgases und/oder eine stromab oder in der zweiten Abgasreinigungseinrichtung angeordnete Messeinrichtung zur Messung eines Sauerstoffgehalts des Abgases, die vorzugsweise beide als Lambdasonden ausgebildet sind. Vorzugsweise sind beide Messeinrichtung vorgesehen. Die dritte Messeinrichtung erlaubt eine präzise Lambdaregelung des brennerseitigen Lambdawerts. Die nach oder in der zweiten Abgasreinigungseinrichtung angeordnete vierte Messeinrichtung dient der Funktionsüberwachung der zweiten Abgasreinigungseinrichtung.
Neben der ersten oder zweiten Abgasreinigungseinrichtung können weitere, katalytische der mechanischen Abgasreinigungskomponenten in der Abgasanlage verbaut sein. Insbesondere kann die Abgasanlage einen Partikelfilter, insbesondere Ottopartikelfilter, umfassen, der stromab der ersten oder der zweiten Abgasreinigungseinrichtung angeordnet ist. Hierdurch wird eine Reduzierung von Partikelemissionen erzielt. Ferner kann stromab der zweiten Abgasreinigungseinrichtung ein weiterer Drei-Wege-Katalysator oder Vier-Wege-Katalysator angeordnet sein, der eine katalytische Verminderung von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Stickoxiden sowie eine mechanische Zurückhaltung von Partikeln vornimmt. Hierdurch kann das Volumen der vorgeschalteten zweiten Abgasreinigungseinrichtung klein gegenüber dem nachgeschalteten Drei- oder Vier-Wege-Katalysator gewählt werden, sodass die zweite Abgasreinigungseinrichtung noch schneller auf Betriebstemperatur geheizt werden kann.
In einem weiteren Aspekt sieht die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Abgasanlage bei Vorliegen eines Niedrigtemperaturzustands vor, also beispielsweise nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors, wenn die erste und/oder zweite Abgasreinigungseinrichtung ihre Betriebstemperatur noch nicht aufweisen. Das Verfahren umfasst die Schritte: Betreiben des Verbrennungsmotors mit einer innermotorischen Maßnahme zur Anhebung der Abgastemperatur; und Aktivieren des Brenners und der elektrischen Heizeinrichtung der zweiten Abgasreinigungseinrichtung, wobei der Verbrennungsmotor und der Brenner jeweils mit einem Lambdawert derart betrieben werden, dass ein in die zweite Abgasreinigungseinrichtung eintretendes Mischgas aus verbrennungsmotorischen Abgas und Brennerabgas stöchiometrisch mit Am = 1 ist.
Durch die innermotorische Heizmaßnahme wird in erster Linie die erste Abgasreinigungseinrichtung auf Betriebstemperatur gebracht. Die beiden außermotorischen Heizmaßnahmen dienen der schnellen Aufheizung der zweiten Abgasreinigungseinrichtung. Dabei können die innermotorische Heizmaßnahme und die beiden außermotorischen Heizmaßnahmen gleichzeitig oder in beliebiger Reihenfolge zeitlich versetzt begonnen werden. Insbesondere kann die elektrische Beheizung der zweiten Abgasreinigungseinrichtung mit einem gewissen zeitlichen Versatz begonnen werden, ehe der Brenner aktiviert wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Brenneremissionen auf einem durch die elektrische Beheizung aktivierten Teilvolumen der zweiten Abgasreinigungseinrichtung umgesetzt werden.
Durch die Einstellung des stöchiometrischen Mischgases wird eine weitestgehend vollständige Umsetzung der relevanten Abgaskomponenten gewährleistet. Dieses kann auf zwei alternativen Ansätzen erfolgen.
In einer ersten Variante werden sowohl der Verbrennungsmotor (insbesondere unmittelbar ab Motorstart) mit einem stöchiometrischen Lambdawert mit λ_e = 1 als auch der Brenner mit einem stöchiometrischen Lambdawert mit λ_b = 1 betrieben. Hierdurch wird eine optimale katalytische Konvertierungsleistung auf beiden Abgasreinigungseinrichtungen erzielt.
Alternativ werden der Verbrennungsmotor mit einem leicht fetten Lambdawert mit λ_e < 1 und der Brenner mit einem leicht mageren Lambdawert mit λ_b < 1 derart betrieben, dass das Mischgas stöchiometrisch mit Am = 1 ist. Dies hat den Vorteil, dass die Partikelemissionen des Brenners bei dem leicht mageren Betrieb vermindert sind und dass der erhöhte Gehalt an CO und HC im Abgas zu einer weiteren Beschleunigung des Aufheizens der zweiten Abgasreinigungseinrichtung führt.
Die innermotorische Heizmaßnahme zur Anhebung der Abgastemperatur kann beispielsweise eine Verstellung des Zündwinkels in Richtung spät umfassen, wodurch der Wirkungsgrad des Motors reduziert und die Abgastemperatur erhöht wird. Ferner kann eine Verzögerung der Kraftstoffeinspritzung oder zusätzliche Kraftstoffeinspritzung nach den oberen Zünd-OT erfolgen, oder eine Abgasrückführrate verstellt, insbesondere vermindert werden.
Vorzugsweise wird die jeweilige Heizmaßnahme beendet, wenn die jeweilige Abgasreinigungseinrichtung ihre Betriebstemperatur erreicht hat.
Die Durchführung des Verfahrens erfolgt insbesondere durch eine elektronische Steuereinrichtung, die einen entsprechenden Algorithmus in computerlesbarer Form enthält sowie entsprechende Kennfelder etc.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasanlage gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
2 einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasanlage gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung;
3 einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasanlage gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung;
4 einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasanlage gemäß einer vierten Ausgestaltung der Erfindung;
5 einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasanlage gemäß einer fünften Ausgestaltung der Erfindung;
6 einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasanlage gemäß einer sechsten Ausgestaltung der Erfindung; und
7 einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasanlage gemäß einer siebten Ausgestaltung der Erfindung.

1 zeigt von einem insgesamt mit 1 bezeichneten Kraftfahrzeug lediglich einen Verbrennungsmotor 10 mit daran angeschlossener Abgasanlage 2.
Der Verbrennungsmotor 10 ist hier ein fremdgezündeter, mit Benzin betreibbarer Ottomotor, der beispielsweise vier Zylinder 11 aufweist. Die Abgase der Zylinder 11 werden in einem Abgaskrümmer 12 zusammen- und der Abgasanlage 2 zugeführt, wo sie zunächst eine Abgasturbine 31 eines Abgasturboladers 30 durchströmen, um einen Verdichter 32 des Abgasturboladers 30 anzutreiben, der in einem hier nicht weiter dargestellten Luftversorgungstrakt des Verbrennungsmotors 10 angeordnet ist. Von der Turbine 31 strömt das Abgas in einen Abgaskanal 20 der Abgasanlage 2.
Die Abgasanlage 2 umfasst den Abgaskanal 20, der über einen motornahen Abschnitt und einen Unterbodenabschnitt verfügt, die mit einem Anschlussstück 20' miteinander verbunden sind. In dem motornahen Abschnitt des Abgaskanals 20 ist eine erste Abgasreinigungseinrichtung 21 angeordnet, die als Drei-Wege-Katalysator ausgeführt ist. Die erste Abgasreinigungseinrichtung 23 weist vorzugsweise einen Metallträger auf, der eine dreiwegekatalytische Beschichtung aufweist, die unverbrannte Kohlenwasserstoffe HC und Kohlenmonoxid CO mit Stickoxiden NO_x katalytisch umsetzt und somit diese drei Abgaskomponenten im Abgas reduziert. Eine eintrittsseitige Stirnseite des Metallträgers ist dabei höchstens 50 cm von den Gasauslässen der Zylinder 11 beabstandet gemessen als Abgaslauflänge.
In dem Unterbodenabschnitt des Abgaskanals 20 ist eine zweite Abgasreinigungseinrichtung 22 angeordnet, die ebenfalls als Drei-Wege-Katalysator ausgeführt ist. Die zweite Abgasreinigungseinrichtung 22 weist ein Substrat auf, das vorzugsweise als Keramikmonolith ausgebildet ist, der eine drei-wege-katalytische Beschichtung ähnlich oder gleich der ersten Abgasreinigungseinrichtung 21 aufweist. Die zweite Abgasreinigungseinrichtung 22 weist eine elektrische Heizeinrichtung 28 auf, die im dargestellten Beispiel als eine vom Abgas durchströmbare Heizscheibe ausgebildet ist, die flächig an der eintrittsseitigen Stirnseite des Substrats der Abgasreinigungseinrichtung 22 angeordnet ist und elektrisch aufheizbar ist. Die Heizscheibe 28 ist über Stützstifte 29 mit dem Substrat der Abgasreinigungseinrichtung 22 verbunden. Optional kann ein katalytisch beschichtetes oder unbeschichtetes Stützsubstrat zwischen Heizscheibe 28 und dem Substrat 22 angeordnet sein. Die eintrittsseitige Stirnseite des Substrats der zweiten Abgasreinigungseinrichtung 22 ist dabei mindestens 80 cm von den Gasauslässen der Zylinder 11 beabstandet gemessen als Abgaslauflänge. Aufgrund ihrer Anordnung an einer Unterbodenposition des Fahrzeugs 1 wird die zweite Abgasreinigungseinrichtung 22 auch als Unterbodenkatalysator bezeichnet.
Die Abgasanlage 2 weist ferner einen Brenner 27 auf, der stromab der ersten Abgasreinigungseinrichtung 21 und stromauf der zweiten Abgasreinigungseinrichtung 22 angeordnet ist. Der Brenner 27 ist mit einem Brennstoff und mit einem oxidativem Gasstrom betreibbar, wobei der Brennstoff oxidativ und exotherm mit dem Gasstrom verbrannt und der Gasstrom somit erwärmt wird. Der erwärmte Gasstrom verlässt den Brenner 27 als Brennerabgas und wird in den Abgaskanal 20 stromauf der zweiten Abgasreinigungseinrichtung 22 eingeleitet und dieser zugeführt. Im dargestellten Beispiel handelt es sich bei dem oxidativen Gasstrom um sauerstoffhaltige Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Der Brennstoff kann ein beliebiger brennbarer Kohlenwasserstoff, wie Benzin, Diesel, Ethan, Methan, Propan, Butan, etc. sein, oder Wasserstoff oder eine Mischung von diesen. Aus Gründen der Praktikabilität wird als Brennstoff für den Brenner 27 der Kraftstoff verwendet, mit dem der Verbrennungsmotor 10 betrieben wird. Dank des Brenners 27 und der elektrischen Heizeinrichtung 28 kann die zweite Abgasreinigungseinrichtung 22 somit wahlweise durch den Brenner 27 oder der elektrischen Heizeinrichtung 28 oder gleichzeitig mit beiden beheizt werden.
Die Abgasanlage 2 weist ferner verschiedene Messeinrichtungen zur Messung des Sauerstoffgehalts des Abgases auf, die insbesondere als Lambdasonden ausgeführt und an verschiedenen Positionen des Abgaskanals 20 angeordnet sein können. Eine erste Lambdasonde 41 ist stromab der Turbine 31 und stromauf der ersten Abgasreinigungseinrichtung 21 angeordnet und ist vorzugsweise als Breitbandlambdasonde ausgeführt, um den Lambdawert über einen weiten Bereich genau bestimmen und das motorische Verbrennungslambda regeln zu können. Eine zweite, vorzugsweise als Sprunglambdasonde (Nernstsonde) ausgeführte Lambdasonde 42 ist stromab der ersten Abgasreinigungseinrichtung 21 und stromauf des Brenners 27 angeordnet. Eine optionale dritte, vorzugsweise als Sprunglambdasonde ausgeführte Lambdasonde 43 ist stromab des Brenners 27 und stromauf der zweiten Abgasreinigungseinrichtung 22 angeordnet und erlaubt die Regelung des Verbrennungslambdas des Brenners 27. Eine vierte Lambdasonde 44 ist im vorliegenden Beispiel innerhalb der zweiten Abgasreinigungseinrichtung 22 angeordnet, kann jedoch auch stromab der zweiten Abgasreinigungseinrichtung 22 angeordnet sein.
Die in 1 gezeigte Abgasanlage 2 wird vorzugsweise wie folgt betrieben, um die Abgasreinigungseinrichtungen 21, 22 beispielsweise nach einem Motorstart möglichst schnell auf Betriebstemperatur zu bringen. Die in den 2 bis 7 dargestellten Abgasanlagen 2 werden entsprechend betrieben.
Zunächst wird festgestellt, ob ein Aufheizen der Abgasreinigungseinrichtungen 21, 22 erforderlich ist. Dies kann einerseits durch Messung der Temperatur mittels geeigneter Temperatursensoren erfolgen, die beispielsweise an den Katalysatorsubstraten angeordnet sind, wobei insbesondere die Messung der Temperatur der ersten Abgasreinigungseinrichtung 21 ausreichend sein kann. Alternativ können die Temperaturen abgeschätzt werden, beispielsweise mittels Erfassen der Außentemperatur und/oder Dauer einer Abstellzeit des Verbrennungsmotors 10. Liegt die festgestellte Temperatur unterhalb einer Grenztemperatur, die insbesondere einer Lightoff-Temperatur der ersten und/oder zweiten Abgasreinigungseinrichtung 21, 22 entspricht, wird das Vorliegen eines Niedrigtemperaturzustands festgestellt.
Liegt ein Niedrigtemperaturzustand vor, erfolgt ein Heizbetrieb zur Aufheizung der ersten und zweiten Abgasreinigungseinrichtung 21, 22. Hierzu wird der Verbrennungsmotor 10 mit zumindest einer innermotorischen Maßnahme zur Anhebung der Abgastemperatur gegenüber einem Normalbetrieb betrieben. Die zumindest eine innermotorische Maßnahme umfasst etwa eine Zündwinkelspätverstellung gegenüber einem Standardzündwinkel, welcher beispielsweise ein wirkungsgradoptimaler Zündwinkel ist, eine Kraftstoffspäteinspritzung nach ZOT oder dergleichen. Durch die hierdurch induzierte Anhebung der Abgastemperatur kommt es zu einem raschen Anstieg der Temperatur der ersten Abgasreinigungseinrichtung 21.
Gleichzeitig mit oder zeitversetzt zu der innermotorischen Maßnahme zur Anhebung der Abgastemperatur erfolgt ein Aktivieren der außermotorischen Heizmaßnahmen. Hierzu wird der Brenner 27 in Betrieb genommen, indem dieser mit Luft und Brennstoff versorgt wird, sodass die Luft aufgeheizt wird. Die so aufgeheizte Luft wird stromauf der zweiten Abgasreinigungseinrichtung 22 in den Abgaskanal 20 geleitet und vermischt sich mit dem Abgas, das die erste Abgasreinigungseinrichtung 21 durchströmt hat und tritt in die zweite Abgasreinigungseinrichtung 22. Gleichzeitig mit dem Betrieb des Brenners 27 wird die elektrische Heizeinrichtung 28 der zweiten Abgasreinigungseinrichtung 22 aktiviert. Durch den parallelen Betrieb des Brenners 27 und der elektrischen Heizeinrichtung 28 wird ein sehr schnelles Aufheizen der zweiten Abgasreinigungseinrichtung 22 erzielt.
Während der inner- und außermotorischen Heizmaßnahmen werden der Verbrennungsmotor 10 und der Brenner 27 derart betrieben, dass ein in die zweite Abgasreinigungseinrichtung 22 eintretendes Mischgas stöchiometrisch mit Am = 1 als Sollgröße ist. Hierdurch wird eine optimale katalytische Konvertierungsleistung von HC, CO und NO_x im hinteren Drei-Wege-Katalysator 22 unmittelbar bei Erreichen seiner Lightoff-Temperatur erreicht.
Um ein stöchiometrisches Mischgas mit Am = 1 zu erreichen, werden in einer ersten Ausgestaltung des Verfahrens sowohl der Verbrennungsmotor 10 mit einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffgemisch mit λ_e = 1 (Sollgröße) als auch der Brenner 27 mit einem stöchiometrischen Luft-Kraftstoffgemisch λ_b = 1 (Sollgröße) betrieben. Hierdurch werden beide Abgasreinigungseinrichtungen 21, 22 mit einem stöchiometrischen Abgas beaufschlagt, sodass beide unmittelbar nach ihrer Aktivierung eine optimale Konvertierungsleistung bringen. Das verbrennungsmotorische Luft-Kraftstoffgemisch λ_e wird über einen ersten Lambdaregelkreis mittels der ersten Lambdasonde 41 geregelt. Das Luft-Kraftstoffgemisch λ_b des Brenners 27 wird über einen zweiten, separaten Lambdaregelkreis mittels der dritten (oder vierten) Lambdasonde 42 und 43 (oder 44) geregelt.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung des Verfahrens wird der Verbrennungsmotor 10 leicht fett, beispielsweise mit λ_e = 0,9, und der Brenner 27 leicht mager derart betrieben, dass das in die zweite Abgasreinigungseinrichtung 22 eintretende Mischgas stöchiometrisch mit Am = 1 geregelt wird. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass die im leicht fetten verbrennungsmotorischen Abgas vermehrt vorliegenden Komponenten HC und CO exotherm auf der zweiten Abgasreinigungseinrichtung 22 umgesetzt werden und somit zu einem noch schnelleren Erwärmen der zweiten Abgasreinigungseinrichtung 22 führen. (Aufgrund der nicht stöchiometrisch in die motornahe Abgasreinigungseinrichtung 21 eintretenden Abgaszusammensetzung erfolgt in der motornahen Abgasreinigungseinrichtung 21 kaum eine Konvertierung von HC und CO). Ferner werden in der zweiten Ausgestaltung des Verfahrens die Partikelgesamtemissionen (gemessen als Partikelanzahl PN) reduziert, da der Brenner 27 bei leicht magerem Betrieb gegenüber stöchiometrischem Betrieb weniger Partikel emittiert. Nachteilig an diesem Verfahren kann jedoch die Bildung von Ammoniak in der ersten Abgasreinigungseinrichtung 21 unter den leicht fetten Bedingungen sein, was zu erhöhten Stickoxidemissionen in der Startphase führen kann.
2 zeigt ein Fahrzeug 1 mit Verbrennungsmotor 10 und daran angeschlossener Abgasanlage 2 nach einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung, wobei gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet sind und nicht nochmals erläutert werden. Die in 2 gezeigte Abgasanlage 2 unterscheidet sich von 1 dadurch, dass die erste Abgasreinigungseinrichtung als ein Vier-Wege-Katalysator 23 ausgebildet ist. Hierbei handelt es sich um einen Partikelfilter, insbesondere Ottopartikelfilter, zum mechanischen Zurückhalten partikulärer Abgasbestandteile, dessen Filtersubstrat eine dreiwegekatalytische Beschichtung aufweist. Auf diese Weise vermag der Vier-Wege-Katalysator 23 die vier Abgasbestandteile unverbrannte Kohlenwasserstoffe HC, Kohlenmonoxid CO, Stickoxide NO_x sowie Partikelemissionen im Abgas zu reduzieren.
3 zeigt ein Fahrzeug 1 mit Verbrennungsmotor 10 und daran angeschlossener Abgasanlage 2 nach einer dritten Ausgestaltung der Erfindung, wobei gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet sind und nicht nochmals erläutert werden. Die in 3 gezeigte Abgasanlage 2 unterscheidet sich von 1 dadurch, dass stromab der ersten Abgasreinigungseinrichtung (Drei-Wege-Katalysator) 21 ein motornaher Ottopartikelfilter 24 nachgeschaltet ist, wobei Drei-Wege-Katalysator 21 und Ottopartikelfilter 24 insbesondere an einem gemeinsamen Katalysatorgehäuse angeordnet sind. Der Drei-Wege-Katalysator 21 entspricht im Wesentlichen dem aus 1. Bei dem Ottopartikelfilter 24 handelt es sich um einen reinen Partikelfilter zum mechanischen Zurückhalten partikulärer Abgasbestandteile ohne katalytische Beschichtung. Auf diese Weise vermag die Kombination aus erster Abgasreinigungseinrichtung 21 und Partikelfilter 24 ähnlich wie der Vier-Wege-Katalysator 23 nach 2 die vier Abgasbestandteile unverbrannte Kohlenwasserstoffe HC, Kohlenmonoxid CO, Stickoxide NO_x sowie Partikelemissionen im Abgas zu reduzieren. Die Variante hat den Vorteil, dass der Drei-Wege-Katalysator 21 ein Metallsubstrat umfassen kann und somit eine höhere Temperaturstabilität aufweist. Allerdings ist der Bauraumbedarf gegenüber der Ausführung aus 2 größer. Eine vergleichsweise platzsparende Anordnung wird jedoch ermöglicht, indem das gemeinsame Katalysatorgehäuse geknickt ausgeführt ist, sodass die Abgasströmungsrichtung sich zwischen den beiden Komponenten 21, 24 ändert.
4 zeigt ein Fahrzeug 1 mit Verbrennungsmotor 10 und daran angeschlossener Abgasanlage 2 nach einer vierten Ausgestaltung der Erfindung, wobei gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet sind und nicht nochmals erläutert werden. Die in 4 gezeigte Abgasanlage 2 unterscheidet sich von 1 dadurch, dass stromab der elektrisch beheizten Abgasreinigungseinrichtung 22 an einer Unterbodenposition ein unbeschichteter Partikelfilter 24 zum mechanischen Zurückhalten partikulärer Abgasbestandteile, insbesondere Ottopartikelfilter, angeordnet ist. Somit vermag die Abgasanlage 2 gemäß 4 die vier Abgasbestandteile unverbrannte Kohlenwasserstoffe HC, Kohlenmonoxid CO, Stickoxide NO_x sowie Partikelemissionen im Abgas zu reduzieren. Da im Unterbodenbereich vergleichsweise mehr Bauraum als in Motornähe vorhanden ist, lässt sich die Unterbringung des Partikelfilters 24 oder anderer Komponenten dort häufig einfacher realisieren als im Motorraum (wie etwa in 3 dargestellt).
5 zeigt ein Fahrzeug 1 mit Verbrennungsmotor 10 und daran angeschlossener Abgasanlage 2 nach einer fünften Ausgestaltung der Erfindung, wobei gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet sind und nicht nochmals erläutert werden. Die in 5 gezeigte Abgasanlage 2 unterscheidet sich von 1 dadurch, dass stromab der elektrisch beheizten Abgasreinigungseinrichtung 22 an einer Unterbodenposition des Fahrzeugs ein weiterer Drei-Wege-Katalysator 25 zur Konvertierung von HC, CO und NO_x angeordnet ist. Ferner ist die vierte Lambdasonde 44 statt in der beheizten Abgasreinigungseinrichtung 22 stromab von dieser und vor dem hintersten Drei-Wege-Katalysator 25 angeordnet. Die Ausführung gemäß 5 ermöglicht eine extrem hohe Konvertierungsleistung und -stabilität auch bei hohen Lasten und hohen Raumgeschwindigkeiten des Abgasstroms.
6 zeigt ein Fahrzeug 1 mit Verbrennungsmotor 10 und daran angeschlossener Abgasanlage 2 nach einer sechsten Ausgestaltung der Erfindung, wobei gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet sind und nicht nochmals erläutert werden. Die in 6 gezeigte Abgasanlage 2 unterscheidet sich von 1 dadurch, dass stromab der elektrisch beheizten Abgasreinigungseinrichtung 22 an einer Unterbodenposition des Fahrzeugs ein Vier-Wege-Katalysator 26, das heißt ein dreiwegekatalytisch beschichteter Partikelfilter zur Konvertierung von HC, CO und NO_x sowie zur Zurückhaltung von Partikeln, angeordnet ist. Ferner ist die vierte Lambdasonde 44 wie in 5 statt in der beheizten Abgasreinigungseinrichtung 22 stromab von dieser und vor dem hintersten Vier-Wege-Katalysator 25 angeordnet. Die Ausführung gemäß 6 ermöglicht neben der hohen Konvertierungsleistung und -stabilität auch die Reduzierung von Partikelemissionen.
7 zeigt ein Fahrzeug 1 mit Verbrennungsmotor 10 und daran angeschlossener Abgasanlage 2 nach einer siebten Ausgestaltung der Erfindung, wobei gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet sind und nicht nochmals erläutert werden. Die in 7 gezeigte Abgasanlage 2 unterscheidet sich von 1 durch Verzicht auf die dritte, der beheizten Abgasreinigungseinrichtung 22 vorgeschalteten Lambdasonde 43. Somit ist diese Ausführung mit geringeren Kosten verbunden, nimmt jedoch einen geringere Regelungsdynamik in Kauf.
Verschiedene Aspekte der vorstehend beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen können auch miteinander kombiniert werden. So können in sämtlichen Ausführungen Auswahl und Anordnung der Lambdasonden variiert werden, beispielsweise auf die dritte Lambdasonde 43, wie in 7 gezeigt, verzichtet werden.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeug
10: Verbrennungsmotor, Ottomotor
11: Zylinder
12: Abgaskrümmer
2: Abgasanlage
20: Abgaskanal
20': Anschlussstück
21: erste Abgasreinigungseinrichtung, Drei-Wege-Katalysator
22: zweite Abgasreinigungseinrichtung, Drei-Wege-Katalysator
23: erste Abgasreinigungseinrichtung, Vier-Wege-Katalysator
24: Ottopartikelfilter
25: Drei-Wege-Katalysator
26: Vier-Wege-Katalysator
27: Brenner
28: elektrische Heizeinrichtung, Heizscheibe
29: Stützstifte
30: Abgasturbolader (ATL)
31: Abgasturbine
32: Verdichter
41: Messeinrichtung zur Messung eines Sauerstoffgehalts des Abgases, Lambdasonde
42: Messeinrichtung zur Messung eines Sauerstoffgehalts des Abgases, Lambdasonde
43: Messeinrichtung zur Messung eines Sauerstoffgehalts des Abgases, Lambdasonde
44: Messeinrichtung zur Messung eines Sauerstoffgehalts des Abgases, Lambdasonde
λ_e: Lambdawert Verbrennungsmotor, verbrennungsmotorischer Lambdawert
λ_b: Lambdawert Brenner
λ_m: Lambdawert Mischgas

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

EP 2646662 B1 [0003]
US 9784157 B2 [0004]

Claims

Abgasanlage (2) für einen Verbrennungsmotor (10), umfassend eine erste, von einem Abgas des Verbrennungsmotors (10) durchströmbare Abgasreinigungseinrichtung (21, 23), eine zweite, im Abgasströmungsweg stromab der ersten Abgasreinigungseinrichtung (21, 23) angeordnete, von dem Abgas durchströmbare Abgasreinigungseinrichtung (22), wobei die zweite Abgasreinigungseinrichtung (22) eine elektrische Heizeinrichtung (28) zur Erwärmung der zweiten Abgasreinigungseinrichtung (22) aufweist, und einen im Abgasströmungsweg stromab der ersten Abgasreinigungseinrichtung (21, 23) und stromauf der zweiten Abgasreinigungseinrichtung (22) angeordneten Brenner (27), der eingerichtet ist, mit einem Brennstoff und einem oxidativen Gasstrom betrieben zu werden, um durch Verbrennung des Brennstoffs den Gasstrom zu erwärmen und der zweiten Abgasreinigungseinrichtung (24) zuzuführen.
Abgasanlage (2) nach Anspruch 1, wobei die erste Abgasreinigungseinrichtung (21, 23) an einer motornahen Position angeordnet ist, insbesondere so, dass eine Abgaslauflänge zwischen Zylinderauslass des Verbrennungsmotors (10) und Eintrittsfläche der ersten Abgasreinigungseinrichtung (21, 23) höchstens 50 cm beträgt.
Abgasanlage (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Abgasreinigungseinrichtung (22) an einer motorfernen Unterbodenposition angeordnet ist, insbesondere so, dass eine Abgaslauflänge zwischen Zylinderauslass des Verbrennungsmotors (10) und Eintrittsfläche in die zweite Abgasreinigungseinrichtung (22) mindestens 80 cm beträgt.
Abgasanlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Abgasreinigungseinrichtung ein Drei-Wege-Katalysator (21) oder ein Vier-Wege-Katalysator (23) ist.
Abgasanlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Abgasreinigungseinrichtung ein Drei-Wege-Katalysator (21) ist.
Abgasanlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine stromauf der ersten Abgasreinigungseinrichtung (21, 23) angeordnete Messeinrichtung (41) zur Messung eines Sauerstoffgehalts des Abgases und/oder eine stromab der ersten Abgasreinigungseinrichtung (21, 23) und stromab des Brenners (27) angeordnete Messeinrichtung (42) zur Messung eines Sauerstoffgehalts des Abgases.
Abgasanlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine stromab des Brenners (27) und stromauf der zweiten Abgasreinigungseinrichtung (22) angeordnete Messeinrichtung (43) zur Messung eines Sauerstoffgehalts des Abgases und/oder eine stromab oder in der zweiten Abgasreinigungseinrichtung (22) angeordnete Messeinrichtung (44) zur Messung eines Sauerstoffgehalts des Abgases.
Abgasanlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Heizeinrichtung (29) der zweiten Abgasreinigungseinrichtung (22) eine vom Abgas durchströmbare Heizscheibe aufweist.
Abgasanlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Partikelfilter (24), insbesondere Ottopartikelfilter, der stromab der ersten oder der zweiten Abgasreinigungseinrichtung (21, 22, 23) angeordnet ist.
Abgasanlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Drei-Wege-Katalysator (25), der stromab der zweiten Abgasreinigungseinrichtung (22) angeordnet ist.
Abgasanlage (2) nach einem vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Vier-Wege-Katalysator (26), der stromab der zweiten Abgasreinigungseinrichtung (22) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Abgasanlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 bei Vorliegen eines Niedrigtemperaturzustands mit den Schritten: Betreiben des Verbrennungsmotors (10) mit zumindest einer innermotorischen Maßnahme zur Anhebung der Abgastemperatur, und gleichzeitiges oder zeitversetztes Aktivieren des Brenners (27) und der elektrischen Heizeinrichtung (28) der zweiten Abgasreinigungseinrichtung (22), wobei der Verbrennungsmotor (10) und der Brenner (27) jeweils mit einem Lambdawert betrieben werden derart, dass ein in die zweite Abgasreinigungseinrichtung (22) eintretendes Mischgas stöchiometrisch 1 ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Verbrennungsmotor (10) sowie der Brenner (27) jeweils mit einem stöchiometrischen Lambdawert betrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Verbrennungsmotor (10) mit einem fetten Lambdawert und der Brenner (27) mit einem mageren Lambdawert betrieben werden derart, dass das Mischgas stöchiometrisch ist.