DE102019133498B4 - Verfahren zur Reaktivierung einer Abgasnachbehandlungskomponente und Antriebsvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Reaktivierung einer Abgasnachbehandlungskomponente (14), welche in einem Abgasstrang (22) eines Verbrennungsmotors (12) angeordnete ist und ein edelmetallhaltiges Abgasnachbehandlungselement (16) aufweist, wobei der Verbrennungsmotor (12) in seiner Betriebsphase mit einem stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reaktivierung der Abgasnachbehandlungskomponente (14) der Verbrennungsmotor (12) temporär in einer Regenerationsphase betrieben wird, wobei der Verbrennungsmotor (12) in der Regenerationsphase derart mit einem fetten Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben wird, dass die oxidierten Edelmetallverbindungen des edelmetallhaltigen Abgasnachbehandlungselements (16) zumindest teilweise reduziert werden, wobei das Ist-Kraftstoff-Luft-Gemisch während der Betriebsphase des Verbrennungsmotors (12) überwacht wird, wobei die in den mageren Bereich schwankenden und zu einer Oxidation des Edelmetalls führenden Ereignisse aufkumuliert werden und basierend darauf eine Oxidation der Edelmetalle des Abgasnachbehandlungselements (16) abgeschätzt wird, wobei ab einer vordefinierten Oxidation des edelmetallhaltigen Abgasnachbehandlungselements (16) die Regenerationsphase eingeleitet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reaktivierung einer Abgasnachbehandlungskomponente, welche in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors angeordnet ist und ein edelmetallhaltiges Abgasnachbehandlungselement aufweist, wobei der Verbrennungsmotor in seiner Betriebsphase mit einem stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben wird.
  • Kraftfahrzeuge weisen üblicherweise eine Antriebsvorrichtung auf, welche zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs dient. Die Antriebsvorrichtung weist zumindest einen Verbrennungsmotor und eine Abgasnachbehandlungskomponente, insbesondere einen Katalysator, auf.
  • Der Katalysator dient zum Reinigen des im Verbrennungsprozess des Verbrennungsmotors entstehenden und in die Außenumgebung strömenden Abgases, wobei die im Abgas enthaltenen Schadstoffe beim Durchströmen des Katalysators in ungiftige Stoffe umgewandelt werden. Der Katalysator ist insbesondere als Drei-Wege-Katalysator ausgeführt, durch welchen drei Schadstoffkomponenten, nämlich CO, HC und NOx konvertiert werden können. Zur Konvertierung der Schadstoffe enthält der Katalysator üblicherweise ein Abgasnachbehandlungselement, welches als katalytisches Material zur chemischen Umsetzung von CO, HC und NOx ein Edelmetall oder eine Mischung unterschiedlicher Edelmetalle aufweist. Als Edelmetalle werden beispielsweise Platin, Palladium, Rhodium oder Iridium verwendet.
  • Ottomotoren werden in ihrer Betriebsphase, d.h. im normalen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs, mit einem stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben, wodurch eine bestmögliche Abgasnachbehandlung im Katalysator erreicht wird. Bei der Regelung des Kraftstoff-Luft-Gemisch werden die dem Ottomotor zuführende Luftmenge und die Kraftstoffmenge basierend auf Messungen des Restsauerstoffgehalts im Abgas geregelt. Bei der Regelung auf das stöchiometrische Kraftstoff-Luft-Verhältnis mit einem Ziel-Lambdawert von 1 wird der Lambdawert in einem sogenannten Lambdafenster um den Ziel-Lambdawert von 1 gehalten. Dabei schwingt der Ist-Lambdawert zwischen dem Bereich mit einem Lambdawert von <1, auch als fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch bezeichnet, und einem Bereich mit einem Lambdawert von >1, auch als mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch bezeichnet.
  • Problematisch ist, dass die Edelmetalle bei einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch mit dem Restsauerstoff reagieren und damit sich zu Edelmetalloxiden umwandeln. Die Edelmetalloxide weisen keine oder nur eine stark verminderte katalytische Wirkung auf, sodass die Abgasnachbehandlung langfristig nicht gewährleistet werden kann.
  • Bei einem mit einem stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisch betriebenen Ottomotor führen die Schwankungen des Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Bereich mit einem mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch zu einer Oxidation der Edelmetall, wodurch nach einer gewissen Zeitdauer die katalytische Wirkung des edelmetallhaltigen Abgasnachbehandlungselements abnimmt und dadurch der Wirkungsgrad des Katalysators absinkt.
  • Ein Verfahren zur Reaktivierung eines edelmetallhaltigen Abgasnachbehandlungselements offenbart beispielsweise die DE 10 2006 062 650 A1 , wobei zur Reaktivierung des edelmetallhaltige Abgasnachbehandlungselements der Verbrennungsmotor in einem Fettbetrieb betrieben wird, wodurch oxidierte Edelmetallverbindungen zumindest teilweise reduziert werden. Weiterhin offenbaren die DE 10 2013 214 476 A1 und die DE 102 40 833 A1 ebenfalls ein Verfahren zur Reaktivierung eines Abgasnachbehandlungselements.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine langfristige Aufrechterhaltung der katalytischen Aktivität des edelmetallhaltigen Abgasnachbehandlungselements und damit eine langfristige Abgasnachbehandlung gewährleistet.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Regenerieren einer Abgasnachbehandlungskomponente mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
  • Dadurch, dass zur Reaktivierung der Abgasnachbehandlungskomponente der Verbrennungsmotor temporär in einer Regenerationsphase betrieben wird, wobei der Verbrennungsmotor in der Regenerationsphase derart mit einem fetten Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben wird, dass die oxidierten Edelmetallverbindungen des edelmetallhaltigen Abgasnachbehandlungselements zumindest teilweise reduziert werden, wird die katalytische Wirkung des Abgasnachbehandlungselements und damit der hohe Wirkungsgrad des Katalysators über die gesamte Lebensdauer aufrechterhalten. Bei der Reaktivierung der Abgasnachbehandlungskomponente werden die durch den Sauerstoffüberschuss entstandenen Edelmetalloxide wieder in die entsprechenden katalytisch aktiven Edelmetalle umgewandelt.
  • Das Ist-Kraftstoff-Luft-Gemisch wird während der Betriebsphase des Verbrennungsmotors überwacht, wobei die in den mageren Bereich schwankenden und zu einer Oxidation des Edelmetalls führenden Ereignisse aufkumuliert werden und basierend darauf eine Oxidation der Edelmetalle abgeschätzt wird, wobei ab einer vordefinierten Oxidation des edelmetallhaltigen Abgasnachbehandlungselements die Regenerationsphase eingeleitet wird. Dadurch kann eine Regeneration der Abgasnachbehandlungskomponente bedarfsgerecht durchgeführt werden und der hohe Wirkungsgrad des Katalysators dauerhaft erhalten werden. Durch die bedarfsgerechte Regeneration der Abgasnachbehandlungskomponente können die vom Kraftfahrzeug in die Außenumgebung ausgestoßenen Schadstoffe, welche in der Regenerationsphase höher als in der Betriebsphase sind, reduziert werden, indem der Verbrennungsmotor ausschließlich im Regenerationsbetrieb betrieben wird, wenn dies auch erforderlich ist.
  • Vorzugsweise wird der Verbrennungsmotor in der Betriebsphase ausschließlich mit einem stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben. Dadurch werden die von einem Kraftfahrzeug in die Außenumgebung ausgestoßenen Schadstoffe reduziert, wobei der Katalysator in der Betriebsphase des Verbrennungsmotors mit einem maximalen Wirkungsgrad betrieben wird.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Verbrennungsmotor in der Regenerationsphase mit einem fetten Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einem Lambdawert von bis zu 0,7 betrieben, wodurch die Regeneration der Abgasnachbehandlungskomponente und die Umwandlung der Edelmetalloxide in katalytisch aktive Edelmetalle gewährleistet wird. Die während der Betriebsphase auftretenden Schwankungen in den Bereich mit dem fetten Kraftstoff-Luft-Gemisch sind zu kurz und nicht intensiv genug, um eine Regeneration des Edelmetalls zu bewirken.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Regenerationsphase in einem Volllastbetrieb des Verbrennungsmotors eingeleitet, wobei der Verbrennungsmotor üblicherweise in seiner Betriebsphase bedarfsgerecht unter Volllast oder Teillast betrieben wird. Die Regeneration des Edelmetalls ist exponentiell von der Abgastemperatur abhängig, sodass die Zeitdauer zur Umwandlung der Edelmetalloxide in katalytisch aktive Edelmetalle mit einer Erhöhung der Abgastemperatur sinkt. Bei Volllast weist das Abgas die höchste Abgastemperatur auf. Durch die Einleitung der Regenerationsphase im Volllastbetrieb des Verbrennungsmotors und damit der höchsten Abgastemperatur kann die Zeitdauer zur Regeneration der Abgasnachbehandlungskomponente reduziert werden.
  • Vorzugsweise ist die Abgasnachbehandlungskomponente ein Drei-Wege-Katalysator. Vorzugsweise ist der Verbrennungsmotor ein Ottomotor. Durch den Drei-Wege-Katalysator können Kohlenstoffmonoxide, Stickoxide und unverbrannte Kohlenwasserstoffe zu Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und Wasser bauraumsparend umgewandelt werden.
  • Die Aufgabe wird außerdem durch eine Antriebsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug gelöst, wobei die Antriebsvorrichtung einen Verbrennungsmotor und eine Abgasnachbehandlungskomponente zur Reinigung des Abgases des Verbrennungsmotors aufweist, und wobei der Verbrennungsmotor mit einem Verfahren nach Anspruch 1 bis 6 betrieben wird. Zu den Vorteilen der Antriebsvorrichtung wird auf die vorgegangenen Absätze, insbesondere auf den Absatz zum Anspruch 1, verwiesen.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
    • 1 zeigt eine schematisch dargestellte Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs.
  • 1 zeigt eine Antriebsvorrichtung 10 eines Kraftfahrzeugs. Die Antriebsvorrichtung 10 weist einen Verbrennungsmotor 12 auf, welcher als Ottomotor ausgeführt ist.
  • Des Weiteren weist die Antriebsvorrichtung 10 einen Abgasstrang 22 auf, welcher die beim Verbrennungsprozess entstandenen und von dem Verbrennungsmotor 12 ausgestoßene Abgase in die Außenumgebung ableitet. Im Abgasstrang 22 ist eine Abgasnachbehandlungskomponente 14 angeordnet, welche als Drei-Wege-Katalysator ausgeführt ist. Der Drei-Wege-Katalysator dient zur Konvertierung der in dem Abgas enthaltenen und im Verbrennungsprozess entstandenen Schadstoffe, nämlich Kohlenmonoxid, unverbrannten Kohlenwasserstoff und Stickoxiden, in ungiftige Stoffe. Dabei bewirkt der Katalysator 14 eine Oxidation der Kohlenmonoxide und der Kohlenwasserstoffe und eine Reduktion der Stickoxide.
  • Zur Oxidation der Kohlenwasserstoffe und der Kohlenmonoxide umfasst der Katalysator 14 jeweils ein edelmetallhaltiges Abgasnachbehandlungselement 16, welches einen Keramik-Monolith mit einer Wabenstruktur umfasst, wobei der Keramik-Monolith mit einer edelmetallhaltigen Beschichtung beschichtet ist. Die edelmetallhaltige Beschichtung bewirkt durch ihre katalytische Wirkung eine Oxidation der Kohlenwasserstoffe und der Kohlenmonoxide.
  • Die Steuerung des Verbrennungsmotors 12 erfolgt über ein Motorsteuergerät 20. Das Motorsteuergerät 20 verarbeitet Signale von in der Figur nicht dargestellten Gas- und Temperatursensoren und erfasst die Betriebsparameter des Verbrennungsmotors 12, wie beispielsweise Motordrehzahl, Kühlmitteltemperatur oder Pedalstellung des Gaspedals. In Abhängigkeit von in das Motorsteuergerät 20 eingehenden Parametern steuert das Motorsteuergerät 20 den Betrieb des Verbrennungsmotors 12, wobei insbesondere die Kraftstoffeinspritzmenge und die Lufteinlassmenge durch das Motorsteuergerät 20 geregelt werden und dadurch das Kraftstoff-Luft-Gemisch eingestellt wird.
  • Der als Ottomotor ausgeführte Verbrennungsmotor 12 wird in einer Betriebsphase, d.h. im normalen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs, ausschließlich mit einem stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisch, d.h. mit einem Lambdawert von 1, betrieben, wobei das Kraftstoff-Luft-Gemisch auf einer Lambdaregelung basiert und durch das Motorsteuergerät 20 geregelt wird.
  • Bei der Regelung des Kraftstoff-Luft-Gemisches auf den Ziel-Lambdawert von 1 wird der Lambdawert in einem sogenannten Lambdafenster um den Ziel-Lambdawert von 1 gehalten, wobei der Ist-Lambdawert zwischen einem sogenannten Magerbereich mit einem Lambdawert von >1 und dem sogenannten Fettbereich mit einem Lambdawert von <1 schwingt. Die Schwankungen in den Magerbereich führen zu einer Oxidation der Edelmetalle des edelmetallhaltigen Abgasnachbehandlungselements 16, wobei die oxidierten Edelmetalle keine katalytische Wirkung aufweisen und der Wirkungsgrad des Katalysators 14 mit fortschreitender Oxidation der Edelmetalle absinkt.
  • Erfindungsgemäß wird der Verbrennungsmotor 12 zum Rückgängigmachen der Oxidation der Edelmetalle und dadurch zur Reaktivierung der Abgasnachbehandlungskomponente 14 in einer Regenerationsphase mit einem fetten Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben.
  • Die Regenerationsphase erfolgt mit einem Kraftstoff-Luft-Verhältnis von bis zu 0,7 und bei Volllast des Verbrennungsmotors 12. Durch die Kombination des relativ hohen Kraftstoffüberschuss und einer hohen Abgastemperatur bei Volllast des Verbrennungsmotors 12 dauert die Regenerationsphase nur einige Sekunden oder einige wenige Minuten.
  • Die Aktivierung der Regenerationsphase des Verbrennungsmotors 12 erfolgt bedarfsgerecht, wobei die Schwankungen vom Ist-Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Magerbereich aufkumuliert werden und ab einer vordefinierten Oxidationsmenge der Edelmetalle die Regenerationsphase aktiviert wird.
  • Durch ein derartiges Verfahren kann die Oxidation der Edelmetalle rückgängig gemacht werden und dadurch die Lebensdauer des Katalysators 14 verlängert bzw. die Kosten für einen Austausch des edelmetallhaltigen Abgasnachbehandlungselements 16 eingespart werden.
  • Es sind auch andere konstruktive Ausführungsformen als die beschriebenen Ausführungsformen möglich, die in den Schutzbereich des Hauptanspruchs fallen. Beispielsweise kann die Abgasnachbehandlungskomponente 14 anders ausgeführt werden.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Reaktivierung einer Abgasnachbehandlungskomponente (14), welche in einem Abgasstrang (22) eines Verbrennungsmotors (12) angeordnete ist und ein edelmetallhaltiges Abgasnachbehandlungselement (16) aufweist, wobei der Verbrennungsmotor (12) in seiner Betriebsphase mit einem stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reaktivierung der Abgasnachbehandlungskomponente (14) der Verbrennungsmotor (12) temporär in einer Regenerationsphase betrieben wird, wobei der Verbrennungsmotor (12) in der Regenerationsphase derart mit einem fetten Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben wird, dass die oxidierten Edelmetallverbindungen des edelmetallhaltigen Abgasnachbehandlungselements (16) zumindest teilweise reduziert werden, wobei das Ist-Kraftstoff-Luft-Gemisch während der Betriebsphase des Verbrennungsmotors (12) überwacht wird, wobei die in den mageren Bereich schwankenden und zu einer Oxidation des Edelmetalls führenden Ereignisse aufkumuliert werden und basierend darauf eine Oxidation der Edelmetalle des Abgasnachbehandlungselements (16) abgeschätzt wird, wobei ab einer vordefinierten Oxidation des edelmetallhaltigen Abgasnachbehandlungselements (16) die Regenerationsphase eingeleitet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (12) in der Betriebsphase ausschließlich mit einem stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (12) in der Regenerationsphase mit einem fetten Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einem Lambdawert von bis zu 0,7 betrieben wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regenerationsphase in einem Volllastbetrieb des Verbrennungsmotors (12) eingeleitet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungskomponente (14) ein Drei-Wege-Katalysator ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (12) ein Ottomotor ist.
  7. Antriebsvorrichtung (10) für ein Kraftfahrzeug, mit einem Verbrennungsmotor (12) und einer Abgasnachbehandlungskomponente (14) zur Reinigung der Abgase des Verbrennungsmotors (12), wobei der Verbrennungsmotor (12) mit einem Verfahren nach Anspruch 1 bis 6 betrieben wird.
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