DE102020215455A1 - Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage mit mehreren in Reihe geschalteten Katalysatoren (3, 4), umfassend einen ersten Dreiwegekatalysator (3) und einen zweiten Dreiwegekatalysator (4), denen über einen Abgaspfad (2) Abgas eines Verbrennungsmotors (1), insbesondere eines Otto-Motors, zugeführt wird. Erfindungsgemäß wird ein Sauerstofffüllzustand des zweiten Dreiwegekatalysators (4) mit Hilfe einer Messeinrichtung (8) und/oder simulativ ermittelt, wobei bei einem bestimmten Sauerstofffüllzustand über eine Sekundärluftquelle (7), Sekundärluft in den Abgaspfad (2) zwischen dem ersten und dem zweiten Dreiwegekatalysator (4) eingebracht wird, so dass der Sauerstofffüllzustand erhöht wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage zur Nachbehandlung von Abgasen eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Otto-Motors, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Abgasnachbehandlungsanlage, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar ist.
  • Stand der Technik
  • Die Abgase von Verbrennungsmotoren werden einer Abgasnachbehandlung unterzogen, um die in den meisten Ländern gesetzlich geforderten Grenzwerte in Bezug auf Schadstoffemissionen einzuhalten. Dabei gelangt mindestens ein Katalysator, beispielsweise ein Dreiwegekatalysator, zum Einsatz. Mit Hilfe des Dreiwegekatalysators (Three Way Catalyst, TWC) können drei im Abgas enthaltene Schadstoffkomponenten, und zwar CO, HC und NOx, konvertiert werden.
  • In heutigen und zukünftigen Otto-Motoren werden zunehmend zwei in Reihe geschaltete Dreiwegekatalysatoren zur Abgasnachbehandlung verbaut. Dies geschieht, um den Anforderungen in Richtung Aktivierung/Aufheizung sowie hoher Umsatzraten bei großen Abgasvolumenströmen gerecht zu werden. Zur Regelung/Überwachung der Abgasnachbehandlung sind in der Regel vor und nach dem ersten Dreiwegekatalysator Lambdasonden angeordnet. Diese sollen helfen den Katalysator möglichst optimal einzustellen. Dazu wird ein Abgas-Lambda (Luft/Kraftstoffverhältnis) mithilfe der Sonden eingeregelt, welches eine bestmögliche Konvertierung aller umzuwandelnder Abgasspezies ermöglicht.
  • Eine Regelung/Überwachung des zweiten Dreiwegekatalysator ist bisher üblicherweise nicht vorgesehen. Dies wird damit begründet, dass zum Einen dessen Anteil an der Konvertierung der Schadstoffkomponenten gering ist. Zum Anderen ein möglicher Schädigungsverlauf den ersten Dreiwegekatalysator zuerst betreffen und daher durch dessen Überwachung detektiert werden würde.
  • Nur wenn beide Katalysatoren optimal eingestellt sind, werden die Schadstoffe gesamthaft bestmöglich konvertiert. Gerade bei transienter Fahrweise ist das Risiko einer nicht optimalen Einstellung einzelner oder beider TWCs und von Schadstoffdurchbrüchen höher, so dass es dadurch nicht immer möglich ist, die erhöhten Emissionsanforderungen erfüllen zu können.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe liegt somit darin, solche Schadstoffdurchbrüche bzw. ungünstige Betriebszustände des zweiten TWC frühzeitig zu registrieren und durch gezielte Gegenmaßnahmen zu verhindern. Diese Gegenmaßnahmen sollten dabei unabhängig von der aktuellen Fahrsituation durchführbar sein.
  • Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Abgasnachbehandlungsanlage für einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorgeschlagenen wird ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage mit mehreren in Reihe geschalteten Katalysatoren, umfassend einen ersten Dreiwegekatalysator und einen zweiten Dreiwegekatalysator, denen über einen Abgaspfad Abgas eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Otto-Motors, zugeführt wird. Der Sauerstofffüllzustand wird dabei mit Hilfe einer Messeinrichtung und/oder simulativ ermittelt, wobei bei einem bestimmten Sauerstofffüllzustand über eine Sekundärluftquelle, Sekundärluft in den Abgaspfad zwischen dem ersten und dem zweiten Dreiwegekatalysator eingebracht wird, so dass der Sauerstofffüllzustand des zweiten Katalysators erhöht wird.
  • Die simulative Bestimmung des Sauerstofffüllstands basiert auf einem Katalysatormodell, welches den Zustand des Katalysators hinreichend genug abbilden kann. Die Modellrechnungen finden in einem vorhandenen und/oder separaten Steuergerät und/oder cloudbasiert statt. Die für die Modellrechnungen nötigen Eingangsgrößen stammen aus dem Motorsteuergerät und/oder dem separatem Steuergerät und/oder der Cloud und/oder einer oder mehrerer Messeinrichtungen, die sich vor dem ersten Dreiwegekatalysator und/oder vor dem zweiten Dreiwegekatalysator und/oder nach dem zweiten Dreiwegekatalysator befinden.
  • Durch die direkte/indirekte Messung oder Simulation des Sauerstofffüllstands kann frühzeitig ermittelt werden, ob ein Durchbruch der Emissionen aufgrund eines zu geringen Sauerstofffüllstands bevorsteht. Entsprechend ist es möglich, rechtzeitig den Sauerstofffüllstand im zweiten Dreiwegekatalysator, durch Einleiten von Sekundärluft vor den zweiten Dreiwegekatalysator zu erhöhen. Da die Sekundärluft nach dem ersten Dreiwegekatalysator eingeleitet wird, kann der zweite Dreiwegekatalysator unabhängig von dem ersten Dreiwegekatalysator mager gestellt werden. Der erste Dreiwegekatalysator kann dementsprechend in einem für diesen optimalen Bereich, d.h. bei einem minimal fettem Gemisch, betrieben werden. Ebenso können durch die Einleitung von Sekundärluft die Schadstoffemissionen gesenkt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird der Sauerstofffüllzustand des zweiten Dreiwegekatalysators anhand eines Messwertes eines NOx-Sensors und/oder einer Lambdasonde im Abgas ermittelt. Mit einer Lambdasonde, welche bevorzugt als Lambdasprungsonde ausgebildet ist, wird in bekannter Weise der Sauerstoffgehalt im Abgas ermittelt. Dementsprechend ermittelt ein NOx-Sensor den NOx-Gehalt und liefert daneben auch den Sauerstoffgehalt im Abgas. Diese Sensoren bzw. Sonden sind bekannt und in vielfältigen Ausführung am Markt erhältlich. Eine solche Messeinrichtung kann dadurch auf einfache Weise implementiert werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung wird der Sauerstofffüllzustand im zweiten Dreiwegekatalysator ermittelt.
  • Vorzugsweise wird der Sauerstofffüllzustand direkt im zweiten Dreiwegekatalysator gemessen. Alternativ oder zusätzlich kann dieser simuliert werden. Für die Messung wird die Messeinrichtung derart angeordnet, dass die Messwerte innerhalb des zweiten Dreiwegekatalysators ermittelt werden können. Dies hat den Vorteil, dass eine solche Messeinrichtung indirekt den lokalen Sauerstofffüllzustand ermitteln kann. Dadurch kann auf eine Veränderung des Sauerstofffüllzustandes schneller reagiert werden, so dass die Menge an emittierten Schadstoffen weiter reduziert werden kann.
  • Alternativ wird der Sauerstofffüllzustand stromabwärts nach dem zweiten Dreiwegekatalysator ermittelt. Im Gegensatz zu einer Messung innerhalb des zweiten Dreiwegekatalysators, wird durch eine Messung nach dem Dreiwegekatalysator das NOx, CO, THC, NH3 nach einer Abgasbehandlung im zweiten Dreiwegekatalysators bzw. als Endergebnis der gesamten Abgasbehandlung betrachtet. Dadurch werden die an die Umgebung freigesetzten Schadstoffe gemessen. Entsprechend kann rechtzeitig durch eine Einstellung des Kraftstoff-Luftverhältnisses oder durch eine Sekundärlufteinspeisung korrektiv eingegriffen und die Schadstoffemissionen gesenkt werden.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung wird die in den Abgaspfad einzuleitende Sekundärluft mit Hilfe einer Fördereinrichtung, beispielsweise einer Pumpe, bereitgestellt. Dadurch kann eine ausreichende Druckdifferenz zwischen Abgaspfad und Sekundärluft erzeugt werden, um die Sekundärluft dem Abgaspfad zuzufügen. Die Pumpe ist dabei bevorzugt eine bereits vorhandene Pumpe wie beispielsweise eine Luftpumpe aus der Kaltstart-Emissionsoptimierung, aus einem Abgasbrenner oder zum Vorheizen eines elektrisch beheizten Katalysators. Es sind somit keine zusätzlich Bauteile notwendig, so dass die Sekundärluft auf einfache und wirtschaftliche Weise dem Abgaspfad zugeführt werden kann.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird die Sekundärluftzufuhr ab einem von der Messeinrichtung gemessenen Schwellwert durchgeführt. Dieser Schwellwert ist dabei derart ausgelegt, dass der Sauerstofffüllzustand noch ausreichend ist, um einen direkten Durchbruch der Schadstoffe zu vermeiden, so dass vor einem Durchbruch Sekundärluft dem zweiten Dreiwegekatalysator zugeführt werden kann. Dieser Schwellwert entspricht vorzugsweise einem Schwellwert der Sprungsonde und/oder einer Signalschwelle des NOx-Sensors.
  • Bevorzugt wird die Sekundärluftzufuhr beendet, wenn die Messeinrichtung einen festgelegten Wert unterhalb des Schwellwertes anzeigt. Mit anderen Worten wird lediglich eine solche Luftmenge zugeführt, wie in dem Dreiwegekatalysator verbraucht wurde. Dadurch wird ein Energieverbrauch und eine Geräuschentwicklung für die Zuführung der Sekundärluft auf ein notwendiges Minimum reduziert.
  • Gemäß einer zweckmäßigen Ausführung wird die Sekundärluftzufuhr mit einem fallenden Sauerstofffüllzustand erhöht. Hierbei wird nicht erst gewartet, bis ein bestimmter Schwellwert unterschritten ist. Hierbei wird bereits Sekundärluft zugeführt, wenn ein fallender Sauerstofffüllzustand ermittelt wird. Dadurch kann der Sauerstofffüllzustand, abgesehen von regelungstechnischen Abweichungen, konstant gehalten werden. Entsprechend wird dadurch einem fallendem Sauerstofffüllzustand entgegengewirkt, so dass ein Zustand, bei welchem Schadstoffe durchbrechen nicht erreicht wird. Dadurch kann eine weitere Reduktion der emittierten Schadstoffe erzielt werden, da weitestgehend ein zur Oxidation der Schadstoffe optimaler Sauerstofffüllzustand ermöglicht wird.
  • Ferner wird eine Abgasnachbehandlungsanlage für einen Verbrennungsmotor, insbesondere für einen Otto-Motor, mit mehreren in Reihe geschalteten Katalysatoren vorgeschlagen, umfassend einen ersten Dreiwegekatalysator und einen zweiten Dreiwegekatalysator, denen über einen Abgaspfad Abgas des Verbrennungsmotors zuführbar ist. Erfindungsgemäß ist stromabwärts des ersten Dreiwegekatalysators und stromaufwärts des zweiten Dreiwegekatalysators eine Mischstelle angeordnet, über welche dem Abgaspfad Sekundärluft einer Sekundärluftquelle zuführbar ist, und dass im Bereich des zweiten Dreiwegekatalysators eine Messeinrichtung angeordnet ist, mit welcher der Sauerstofffüllzustand des zweiten Dreiwegekatalysators bestimmbar ist.
  • Die vorgeschlagene Abgasnachbehandlungsanlage ist insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach diesem Verfahren betreibbar. Der Sauerstofffüllzustand des zweiten Dreiwegekatalysator kann dadurch separat ermittelt werden. Zudem ist eine Magerstellung des zweiten Dreiwegekatalysators ohne Beeinflussung einer Betriebsweise des ersten Dreiwegekatalysators möglich.
  • Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist die Messeinrichtung als Lambdasonde oder NOx-Sensor ausgebildet und nach oder im zweiten Dreiwegekatalysator angeordnet. Eine entsprechende Anordnung der Sensoren weißt dabei die in dem Verfahren genannten Vorteile einer solchen Messposition auf.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsanlage, und
    • 2 ein Flussdiagramm zur graphischen Darstellung des Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • Der 1 ist ein Verbrennungsmotor 1 zu entnehmen, welcher auslassseitig an einem Abgaspfad 2 angeschlossen ist. Über den Abgaspfad 2 wird das bei dem Verbrennungsprozess im Verbrennungsmotor 1 anfallende Abgas abgeführt. Das Abgas wird dabei einer Abgasnachbehandlung unterzogen. Hierzu sind im Abgaspfad 2 zwei in Reihe geschaltete Dreiwegekatalysatoren 3, 4 angeordnet.
  • Bei dem dargestellten Abgaspfad ist zwischen dem ersten Dreiwegekatalysator 3 und dem zweiten Dreiwegekatalysator 4 ein Mischer 5 in dem Abgaspfad 2 angeordnet. Dieser Mischer 5 ist zusätzlich über eine Sekundärluftleitung 6 mit einer Sekundärluftquelle 7, wie beispielsweise einer Sekundärluftpumpe, verbunden. Dadurch kann dem Mischer 5 zusätzlich zu dem Abgas Sekundärluft zugeführt werden. Die Sekundärluft wird dabei in dem Mischer 5 mit dem Abgas gemischt und an den stromabwärts angeordneten zweiten Dreiwegekatalysator 4 weitergeleitet. Dadurch kann der zweite Dreiwegekatalysator 4 mager betrieben werden. Ein solcher Magerbetrieb ist insbesondere notwendig, wenn der Sauerstofffüllzustand des zweiten Dreiwegekatalysators 4 sinkt. In einem solchen Fall kann das von dem ersten Dreiwegekatalysators 3 nicht umgewandelte CO, HC, NH3 und H2 auch durch den zweiten Dreiwegekatalysator 4 umgewandelt werden. Diese würden ansonsten an die Umgebung emittiert.
  • Um das zu vermeiden ist in diesem Ausführungsbeispiel nach dem zweiten Dreiwegekatalysator 4 eine Messeinrichtung 8 angeordnet, mit welchem der Sauerstofffüllzustand indirekt gemessen werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Messeinrichtung 8 als NOx-Sensor ausgebildet, so dass die Magergaskomponenten NOx und O2 sowie modellbasiert NH3 ermittelbar sind. Über die Ausgangssignale kann dabei auf den Sauerstofffüllzustand geschlossen werden. Die Messwerte M werden an ein Steuergerät 9 übermittelt. Ab einem bestimmten Schwellwert für den Messwert M wird von dem Steuergerät 9 an die Sekundärluftquelle 7 ein Signal abgegeben, so dass dem Abgaspfad 2 Sekundärluft zugeführt wird. Durch den mager betriebenen zweiten Dreiwegekatalysator 4, wird der Sauerstofffüllzustand wieder erhöht, so dass die CO, HC und NH3 Emissionen reduziert werden.
  • Im Abgaspfad 2 sind zusätzlich noch eine Breitbandlambdasonde 10 vor dem ersten Dreiwegekatalysator 3 und eine Lambdasprungsonde 11 dahinter angeordnet. Diese Sonden 10, 11 sind ebenfalls mit dem Steuergerät 9 verbunden. Über die Breitbandlambdasonde 10 wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch gemessen, so dass dieses auf einen Wert von ungefähr λ=1 eingestellt werden kann. Über die Lambdasprungsonde 11 wird der Sauerstoffgehalt nach dem ersten Dreiwegekatalysator 3 gemessen.
  • Anhand der 2 werden beispielhaft die wesentlichen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage beschrieben. Um zu ermitteln, ob der zweite Dreiwegekatalysator 4 ausreichend mit Sauerstoff gefüllt bzw. ein Durchbruch der Schadstoffemissionen nicht vorliegt, wird in einem ersten Schritt A mit Hilfe des diesem nachgeordneten NOx-Sensors 8 auf den Sauerstofffüllstand des zweiten Dreiwegekatalysators 4 geschlossen. In einem nächsten Schritt B wird überprüft, ob der Messwert M des NOx-Sensors einen Schwellwert S überschreitet. Ausgehend von dem Messwert M kann dabei auf den Sauerstofffüllstand im zweiten Dreiwegekatalysator 4 geschlossen werden. Sollte der Messwert M unterhalb dem festgelegten Schwellwert S liegen, wird in Schritt C keine Sekundärluft zugeführt. Stattdessen wird nach diesem Schritt C das Verfahren wieder von neuem mit der Ermittlung des Sauerstofffüllstandes begonnen.
  • Sollte in dem Schritt B der Messwert M oberhalb dem festgelegten Schwellwert S liegen, wird in einem nächsten Schritt D die Sekundärluftquelle 7 derart angesteuert, dass eine dem Messwert M entsprechende Sekundärluftmenge dem Abgaspfad 2 zwischen den Dreiwegekatalysatoren 3, 4 zugeführt wird. Anschließend daran, wird wieder zu dem ersten Schritt A zurückgekehrt.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage mit mehreren in Reihe geschalteten Katalysatoren (3, 4), umfassend einen ersten Dreiwegekatalysator (3) und einen zweiten Dreiwegekatalysator (4), denen über einen Abgaspfad (2) Abgas eines Verbrennungsmotors (1), insbesondere eines Otto-Motors, zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sauerstofffüllzustand des zweiten Dreiwegekatalysators (4) mit Hilfe einer Messeinrichtung (8) und/oder simulativ ermittelt wird, wobei bei einem bestimmten Sauerstofffüllzustand über eine Sekundärluftquelle (7), Sekundärluft in den Abgaspfad (2) zwischen dem ersten und dem zweiten Dreiwegekatalysator (4) eingebracht wird, so dass der Sauerstofffüllzustand erhöht des zweiten Katalysators (4) wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstofffüllzustand des zweiten Dreiwegekatalysators (4) anhand eines Messwertes eines NOx-Sensors und/oder einer Lambdasonde im Abgas ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstofffüllzustand stromabwärts nach dem zweiten Dreiwegekatalysator (4) ermittelt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstofffüllzustand im zweiten Dreiwegekatalysator (4) ermittelt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Abgaspfad (2) einzuleitende Sekundärluft mit Hilfe einer Fördereinrichtung, beispielsweise einer Pumpe, bereitgestellt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluftzufuhr ab einem von der Messeinrichtung (8) gemessenen Schwellwert (S) durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluftzufuhr mit einem fallenden Sauerstofffüllzustand erhöht wird.
  8. Abgasnachbehandlungsanlage für einen Verbrennungsmotor (1), insbesondere für einen Otto-Motor, zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, mit mehreren in Reihe geschalteten Katalysatoren (3, 4), umfassend einen ersten Dreiwegekatalysator (3) und einen zweiten Dreiwegekatalysator (4), denen über einen Abgaspfad (2) Abgas des Verbrennungsmotors (1) zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des ersten Dreiwegekatalysators (3) und stromaufwärts des zweiten Dreiwegekatalysators (4) eine Mischstelle angeordnet ist, über welche dem Abgaspfad (2) Sekundärluft einer Sekundärluftquelle (7) zuführbar ist, und dass im Bereich des zweiten Dreiwegekatalysators (4) eine Messeinrichtung (8) angeordnet ist, mit welcher der Sauerstofffüllzustand des zweiten Dreiwegekatalysators (4) bestimmbar ist.
  9. Abgasnachbehandlungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (8) als Lambdasonde oder NOx-Sensor ausgebildet und nach oder im zweiten Dreiwegekatalysator (4) angeordnet ist.
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