DE102021102240A1

DE102021102240A1 - Abgasnachbehandlung bei einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102021102240A1
Application number: DE102021102240.1A
Authority: DE
Inventors: Falk-Christian von Ceumern-Lindenstjerna; Stefan PAUKNER
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-02-01
Filing date: 2021-02-01
Publication date: 2022-08-04

Abstract

Bei einer Brennkraftmaschine, die einen Verbrennungsmotor 1 sowie einen Abgasstrang 8 mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 aufweist, wobei die Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 einen Stickoxidkonverter 12 und eine Stickoxidspeichervorrichtung 13 umfasst, wird der Verbrennungsmotor 1 bei einer Temperatur des Stickoxidkonverters 12, die unterhalb von dessen Anspringtemperatur liegt, mager betrieben. Während dieser Betriebsphase in dem Abgas enthaltene Stickoxide können in der Stickoxidspeichervorrichtung 13 gespeichert werden, so dass eine im Wesentlichen nicht oder unzureichend vorliegende Fähigkeit des Stickoxidkonverters 12 zur Umwandlung der Stickoxide, die darauf zurückzuführen ist, dass dieser eine noch unterhalb seiner Anspringtemperatur liegende Betriebstemperatur aufweist, nicht zu relevanten Emissionen der Stickoxide führt. Erreicht die Betriebstemperatur des Stickoxidkonverters 12 die Anspringtemperatur wird der Verbrennungsmotor 1 zumindest zeitweise stöchiometrisch betrieben, was eine möglichst optimale Nachbehandlung des Abgases mittels des Stickoxidkonverters 12 ermöglicht. Da die Speicherkapazität der Stickoxidspeichervorrichtung 13 begrenzt ist und die Größe der Stickoxidspeichervorrichtung 13 auch möglichst gering gehalten werden sollte, wird während des Betriebs der Brennkraftmaschine, in dem die Temperatur des Stickoxidkonverters mindestens der Anspringtemperatur entspricht, die Stickoxidspeichervorrichtung 13 regeneriert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasnachbehandlung im Rahmen eines Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Ottomotor, und einen Abgasstrang mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung aufweist, wobei die Abgasnachbehandlungseinrichtung zumindest einen Stickoxidkonverter und eine Stickoxidspeichervorrichtung umfasst.
Die Abgasgrenzwerte, die für Brennkraftmaschinen und insbesondere für solche, die für einen Antrieb von Kraftfahrzeugen vorgesehen sind, gelten, werden zunehmend verschärft. Um diese Abgasgrenzwerte einhalten zu können, ist eine möglichst schnelle Konvertierungsfähigkeit der in die Abgasstränge dieser Brennkraftmaschinen integrierten Abgasnachbehandlungseinrichtungen erforderlich. Dies bedingt, dass diese beziehungsweise die von diesen umfassten Abgasnachbehandlungskomponenten möglichst schnell nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine ihre sogenannten Anspringtemperaturen (auch Light-off-Temperaturen genannt) erreichen, ab denen jeweils von einer ausreichenden Wirksamkeit für die Abgasnachbehandlung ausgegangen werden kann. Zudem sollten die Betriebstemperaturen dieser Abgasnachbehandlungskomponenten auch bei einem relativ lange anhaltenden Betrieb der Brennkraftmaschinen mit relativ geringen Lasten, beispielsweise im Leerlauf oder bei Bergabfahrten von Kraftfahrzeugen mit solchen Brennkraftmaschinen, nicht unter die jeweiligen Anspringtemperaturen sinken.
Bekannt ist, Abgasnachbehandlungseinrichtungen oder zumindest einzelne Abgasnachbehandlungskomponenten davon zu beheizen, was sowohl durch motorische Maßnahmen, die darauf abzielen, relativ hohe Abgastemperaturen zu erreichen, als auch durch externe Beheizungsmaßnahmen, beispielsweise mittels elektrischer Heizvorrichtungen, realisiert werden kann. Diese Maßnahmen sind jedoch mit relativ hohen Energieverbräuchen und damit üblicherweise mit relativ hohen Kraftstoffverbräuchen der Brennkraftmaschinen verbunden.
Die EP 3 115 566 A1 offenbart ein dreistufiges Verfahren zur Entschwefelung eines NOx-Speicherkatalysators sowie zur Regeneration eines Partikelfilters.
Die DE 10 2017 100 518 A1 beschreibt ein Verfahren zur Reduktion von schädlichen Abgasbestandteilen mit Hilfe eines Abgassystems, das mindestens zwei Katalysatoren, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Sickoxidspeicherkatalysator (NSC), Dreiwegekatalysator (TWC) und Dreiwegekatalysator mit Sickoxidspeicherfunktion (TWNSC), umfasst, wobei das Abgas an dem stromab befindlichen Katalysator der wenigstens zwei Katalysatoren dann herumgeleitet wird, wenn sich dieser in einem Temperaturfenster befindet, in dem er befähigt ist, aus NH₃ N₂O zu bilden, während der stromauf befindliche Katalysator der wenigstens zwei Katalysatoren NH₃ produziert.
Die DE 10 2011 118 337 A1 offenbart eine Abgasnachbehandlungseinrichtung einer Brennkraftmaschine mit einem Dreiwegekatalysator, einem Stickoxidspeicherkatalysator und einem Partikelfilter, wobei der Partikelfilter in Strömungsrichtung hinter dem Dreiwegekatalysator angeordnet ist und wobei über eine Abzweigleitung Ladeluft von einem Abgasturbolader unmittelbar vor dem Partikelfilter in den Abgasstrang überführbar ist.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die Abgasemissionen einer Brennkraftmaschine zu verbessern.
Diese Aufgabe ist bei einem Betrieb einer Brennkraftmaschine gemäß dem in dem Patentanspruch 1 beanspruchten Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen dieses Verfahrens sind Gegenstände der weiteren Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zu Betreiben einer Brennkraftmaschine vorgesehen, die einen vorzugsweise fremdgezündeten und weiterhin bevorzugt auch quantitätsgeregelten Verbrennungsmotor, d.h. insbesondere einen Ottomotor, sowie einen Abgasstrang mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung aufweist, wobei die Abgasnachbehandlungseinrichtung zumindest einen Stickoxidkonverter und eine Stickoxidspeichervorrichtung umfasst. Im Rahmen dieses Verfahrens wird der Verbrennungsmotor bei einer Temperatur des Stickoxidkonverters, die unterhalb von dessen Anspringtemperatur liegt, zumindest zeitweise, vorzugsweise stets mager, d.h. mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (Ä > 1), vorzugsweise im Bereich zwischen λ = 1,01 bis λ = 1,15, betrieben. Ein solcher Magerbetrieb kann insbesondere während einer Warmlaufphase der Brennkraftmaschine ausgehend von einem Kaltstart vorliegen, wobei als „Kaltstart“ grundsätzlich eine Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine gilt, bei der wenigstens eine der Komponenten der Abgasnachbehandlungseinrichtung eine Betriebstemperatur aufweist, die zumindest unter der dazugehörigen Anspringtemperatur liegt und insbesondere ungefähr (d.h. auch mit einer Abweichung von bis zu 10%, 20% oder 30%) der Umgebungstemperatur entspricht. Dieser magere Betrieb weist den Vorteil auf, dass aufgrund relativ geringer Temperaturen, die bei den Verbrennungsprozessen in dem Verbrennungsmotor auftreten, relativ geringe Mengen an Stickoxiden entstehen. Diese Stickoxide können in der Stickoxidspeichervorrichtung gespeichert werden, so dass eine im Wesentlichen nicht oder unzureichend vorliegende Fähigkeit des Stickoxidkonverters zur Umwandlung der Stickoxide, die darauf zurückzuführen ist, dass dieser eine noch unterhalb seiner Anspringtemperatur liegende Betriebstemperatur aufweist, nicht zu relevanten Emissionen der Stickoxide (in die Umgebung) führt.
Erreicht die Betriebstemperatur des Stickoxidkonverters im Rahmen eines erfindungsgemäßen Betriebs der Brennkraftmaschine die Anspringtemperatur, ist vorgesehenen, den Verbrennungsmotor zumindest zeitweise, gegebenenfalls stets beziehungsweise dauerhaft stöchiometrisch, d.h. mit einem grundsätzlich stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ ≈ 1), zu betreiben, weil ein solcher stöchiometrische Betrieb zu einer möglichst optimalen Nachbehandlung des Abgases mittels des Stickoxidkonverters führen kann. Dies gilt insbesondere dann, wenn, wie vorzugsweise vorgesehen, der Stickoxidkonverter in Form eines Dreiwegekatalysators ausgestaltet ist.
Ein Dreiwegekatalysator ist dadurch gekennzeichnet, dass dieser zumindest eine Umwandlung von Kohlenstoffmonoxid (CO), Stickoxiden (NO_x) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) zu Kohlenstoffdioxid (CO₂), Stickstoff (N₂) und Wasser (H₂O) katalytisch unterstützen kann.
Als stöchiometrischer Betrieb des Verbrennungsmotors wird erfindungsgemäß auch ein Betrieb verstanden, bei dem das tatsächliche Verbrennungsluftverhältnis in einem üblicherweise relativ schmalen Bereich von beispielsweise ± 1% oder ± 3% oder ± 5% um das exakt stöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis (Ä = 1) schwankt, wenn dadurch im zeitlichen Mittel ein stöchiometrisches Verbrennungsverhältnis realisiert werden soll. Eine solche Schwankung des tatsächlichen Verbrennungsluftverhältnisses kann eine Folge einer reaktiven Steuerung und insbesondere einer Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Abgases sein, wie dies insbesondere unter Verwendung einer oder mehrerer Lambdasonden grundsätzlich bekannt ist. Dabei kann eine sogenannte Eigenfrequenzregelung für das Verbrennungsluftverhältnis umgesetzt werden, bei der der Verbrennungsmotor definiert wechselweise leicht fett, d.h. mit einem geringfügig unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (Ä < 1), sowie leicht mager, d.h. mit einem geringfügig überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ > 1), betrieben wird, wobei sich im Mittel der angestrebte stöchiometrische Betrieb einstellt. Eine Umschaltung zwischen fettem und magerem Betrieb kann dabei bei definierten Abweichungen von dem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis erfolgen.
In entsprechender Weise kann in dem mageren Betrieb des Verbrennungsmotors das tatsächliche Verbrennungsluftverhältnis in einem üblicherweise relativ schmalen Bereich von beispielsweise ± 1 % oder ± 3% oder ± 5% um ein vorgesehenes überstöchiometrisches (Soll-)Verbrennungsluftverhältnis schwanken und dabei gegebenenfalls auch kurzzeitig bzw. als Teil dieser Schwankung stöchiometrisch oder sogar unterstöchiometrisch sein.
Da die Speicherkapazität der Stickoxidspeichervorrichtung begrenzt ist und die Größe der Stickoxidspeichervorrichtung aus Kostengründen auch möglichst gering gehalten werden sollte, ist erfindungsgemäß weiterhin vorgesehen, dass zeitweise während des Betriebs der Brennkraftmaschine, in dem die Temperatur des Stickoxidkonverters mindestens der Anspringtemperatur entspricht, die Stickoxidspeichervorrichtung regeneriert wird. Dies kann insbesondere jedes Mal vorgesehen sein, wenn dem stöchiometrischen Betrieb des Verbrennungsmotors ein magerer Betrieb vorausgegangen ist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass für jeden mageren Betrieb des Verbrennungsmotors im Wesentlichen die gesamte Speicherkapazität der Stickoxidspeichervorrichtung zur Verfügung steht.
Eine solche Regeneration der Stickoxidspeichervorrichtung kann vorzugsweise durch einen fetten Betrieb des Verbrennungsmotors realisiert werden. Dadurch werden temporär in dem Rohabgas des Verbrennungsmotors Abgaskomponenten, insbesondere unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), Wasserstoff (H₂) und/oder Kohlenmonoxid (CO), bereitgestellt, die eine Umwandlung der zuvor in der Stickoxidspeichervorrichtung eingelagerten Stickoxide, insbesondere zu Stickstoff (N₂), Wasser (H₂O) und Kohlenstoffdioxid (CO₂), ermöglichen. Bei einer solchen Art der Regeneration der Stickoxidspeichervorrichtung kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass der fette Betrieb nach dem mageren Betrieb und vor dem stöchiometrischen Betrieb des Verbrennungsmotors durchgeführt wird. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Stickoxidspeichervorrichtung möglichst unmittelbar nach einem mageren Betrieb des Verbrennungsmotors regeneriert und dadurch wieder möglichst schnell eine möglichst große Speicherkapazität der Stickoxidspeichervorrichtung zur Verfügung gestellt wird. Ergänzend oder alternativ zu der Regeneration mittels eines fetten Betriebs des Verbrennungsmotors kann auch vorgesehen sein, die Stickoxidspeichervorrichtung thermisch, beispielsweise durch ein Beheizen mittels einer Heizvorrichtung, zu regenerieren.
Die Abgasnachbehandlungseinrichtung einer im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens genutzten Brennkraftmaschine kann vorzugsweise neben dem (ersten) Stickoxidkonverter mindestens einen weiteren Stickoxidkonverter, vorzugsweise insgesamt zwei, drei oder vier Stickoxidkonverter umfasst. Dieser oder zumindest einige dieser weiteren Stickoxidkonverter können vorzugsweise als Dreiwegekatalysator(en) ausgestaltet sein. Bei mehreren Stickoxidkonvertern kann sich die Betriebstemperatur, basierend auf der die verschiedenen Betriebsarten des Verbrennungsmotors eingestellt werden, insbesondere auf den ausgehend von dem Verbrennungsmotor ersten in den Abgasstrang integrierten Stickoxidkonverter beziehen.
Der oder die Stickoxidkonverter und die Stickoxidspeichervorrichtung einer im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens genutzten Brennkraftmaschine können separiert ausgestaltet sind, wobei der oder die Stickoxidkonverter in beliebiger Konstellation stromauf oder stromab bezüglich der Stickoxidspeichervorrichtung in dem Abgasstrang angeordnet sein können.
Der oder einer der Stickoxidkonverter und die Stickoxidspeichervorrichtung einer im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens genutzten Brennkraftmaschinen können auch kombiniert ausgestaltet sein. Für eine kombinierte Ausgestaltung kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Stickoxidkonverter, der vorzugsweise als Dreiwegekatalysator ausgebildet sein kann, mittels einer für Stickoxide speicherfähigen Beschichtung versehen ist (sogenannter TWNSC).
Die Abgasnachbehandlungseinrichtung einer im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens genutzten Brennkraftmaschine kann vorzugsweise einen oder mehrere Partikelfilter umfassen, um eine Emission von Partikeln des Abgases zu minimieren. Der Partikelfilter kann dabei insbesondere stromab des Stickoxidkonverters und/oder der Stickoxidspeichervorrichtung in dem Abgasstrang angeordnet sein. Dieser kann auch in den Stickoxidkonverter und/oder in die Stickoxidspeichervorrichtung integriert sein. Ein als Dreiwegekatalysator ausgestalteter Stickoxidkonverter, in den ein Partikelfilter integriert ist, wird üblicherweise auch als Vierwegekatalysator bezeichnet. Ein solcher Vierwegekatalysator stellt folglich eine Ausbaustufe eines Dreiwegekatalysators dar und fällt demnach auch unter die erfindungsgemäß Definition eines Dreiwegekatalysators. Für die Ausbildung eines Vierwegekatalysators kann dabei vorzugsweise vorgesehen sein, dass ein Partikelfilter mit einer als Dreiwegekatalysator wirkenden Beschichtung versehen ist.
Der Verbrennungsmotor einer im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens genutzten Brennkraftmaschine kann vorzugsweise mit Flüssigkraftstoff (insbesondere Benzin) betrieben werden. Möglich ist auch ein Betrieb mit einem gasförmigen Kraftstoff (insbesondere Erdgas, LNG oder LPG). Der Verbrennungsmotor kann insbesondere Teil eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines radbasierten und nicht schienengebundenen Kraftfahrzeugs (vorzugsweise ein PKW oder ein LKW) sein. Dabei kann der Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine vorzugsweise zur (direkten oder indirekten) Bereitstellung der Fahrantriebsleistung für das Kraftfahrzeug vorgesehen sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt, teilweise in vereinfachter Darstellung:

1: eine für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Brennkraftmaschine;
2: eine Abgasnachbehandlungseinrichtung für die Brennkraftmaschine gemäß einer ersten Ausgestaltungsform;
3: eine Abgasnachbehandlungseinrichtung für die Brennkraftmaschine gemäß einer zweiten Ausgestaltungsform;
4: eine Abgasnachbehandlungseinrichtung für die Brennkraftmaschine gemäß einer dritten Ausgestaltungsform;
5: eine Abgasnachbehandlungseinrichtung für die Brennkraftmaschine gemäß einer vierten Ausgestaltungsform; und
6: eine Abgasnachbehandlungseinrichtung für die Brennkraftmaschine gemäß einer fünften Ausgestaltungsform.

Die 1 zeigt eine für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug. Diese umfasst einen Verbrennungsmotor 1, der beispielhaft in Form eines Hubkolbenmotors mit vier in Reihe angeordneten Zylinderöffnungen 2 ausgestaltet ist. Die Zylinderöffnungen 2 begrenzen mit darin geführten Hubkolben 3 und einem Zylinderkopf jeweils einen Brennraum 4. Diesen Brennräumen 4 wird im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 und damit der Brennkraftmaschine Frischgas über einen Frischgasstrang 5 zugeführt, wobei die Zufuhr des Frischgases mittels Einlassventilen 6, die den einzelnen Brennräumen 4 zugeordnet sind, gesteuert wird. Bei dem Frischgas handelt es sich ausschließlich oder hauptsächlich um Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Bei der Verbrennung von Gemischmengen, die aus dem Frischgas sowie aus direkt über Kraftstoffinjektoren 7 in die Brennräume 4 eingespritztem Kraftstoff bestehen, wird Abgas erzeugt. Dieses Abgas wird über einen Abgasstrang 8 der Brennkraftmaschine abgeführt, wobei der Auslass des Abgases aus den einzelnen Brennräumen 4 mittels Auslassventilen 9 gesteuert wird. Ein Entzündung der Gemischmengen in den Brennräumen 4 erfolgt mittels elektrischer Zündvorrichtungen 10, die beispielsweise Zündfunken erzeugen (Zündkerzen). Das Abgas durchströmt eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 11, die dafür vorgesehen ist, Bestandteile des Abgases, die als Schadstoffe angesehen werden, aus dem Abgas zu entfernen oder in unschädliche Bestandteile umzuwandeln.
Die Brennkraftmaschine kann aufgeladen ausgestaltet sein, wobei dann in den Frischgasstrang 5 ein Frischgasverdichter (nicht dargestellt) integriert wäre. Sofern der Frischgasverdichter dabei Teil eines Abgasturboladers wäre, würde dieser Abgasturbolader weiterhin noch eine Abgasturbine (nicht dargestellt) umfassen, die in den Abgasstrang 8 integriert ist. Abgas, das die Abgasturbine durchströmt, würde dann zu einem rotierenden Antrieb eines Turbinenlaufrads führen, das drehantreibend mit einem Verdichterlaufrad des Frischgasverdichters verbunden ist, so dass im Ergebnis ein Antrieb des Frischgasverdichters mittels der Abgasturbine erfolgt. Die Abgasturbine, sofern vorhanden, könnte vorzugsweise stromauf (bezüglich der Strömungsrichtung des Abgases) der Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 in dem Abgasstrang 8 angeordnet sein.
Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 der Brennkraftmaschine umfasst jeweils mindestens einen Stickoxidkonverter 12 in Form eines Dreiwegekatalysators und eine Stickoxidspeichervorrichtung 13. Weiterhin kann ein Partikelfilter 14 vorgesehen sein.
Um ein vorteilhaftes Abgasemissionsverhalten der Brennkraftmaschine, insbesondere nach einem Kaltstart, zu realisieren ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor 1 bei einer Betriebstemperatur des Stickoxidkonverters 12, die unterhalb von dessen Anspringtemperatur liegt, d.h. insbesondere während einer Warmlaufphase ausgehend von einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 1, mager betrieben wird. In dem von dem Verbrennungsmotor 1 erzeugten Rohabgas sind dadurch nur relativ geringe Mengen an Stickoxiden enthalten. Diese Stickoxide können im Wesentlichen unmittelbar nach dem Kaltstart des Verbrennungsmotors 1 in der Stickoxidspeichervorrichtung 13 eingelagert werden, da diese eine relativ geringe Anspringtemperatur in einem Bereich von üblicherweise zwischen 100°C und 150°C aufweist. Durch diese Speicherung von Stickoxiden in der Stickoxidspeichervorrichtung 13 kann deren Emission in die Umgebung, die aufgrund der unterhalb der Anspringtemperatur liegenden Betriebstemperatur des Stickoxidkonverters 12 durch diesen nicht ausreichend vermieden werden könnte, verhindert werden.
Sobald der Stickoxidkonverter 12 seine Anspringtemperatur erreicht hat, kann in einem ausreichenden Maße eine Umwandlung der Stickoxide mittels des Stickoxidkonverters 12 realisiert werden. Die Funktion der Stickoxidspeichervorrichtung 13 wird dann temporär nicht mehr benötigt und es ist möglich, diese zu regenerieren, um für einen zukünftigen Betrieb des Verbrennungsmotors 1 bei einer unterhalb der Anspringtemperatur liegenden Betriebstemperatur des Stickoxidkonverters 12 möglichst die gesamte Stickoxidspeicherkapazität der Stickoxidspeichervorrichtung 13 nutzbar zu haben. Für diese Regeneration kann beispielsweise vorgesehen sein, den Verbrennungsmotor 1 temporär fett zu betreiben, um in dem Rohabgas des Verbrennungsmotors 1 Abgaskomponenten bereitzustellen, die eine Umwandlung der zuvor in der Stickoxidspeichervorrichtung 13 eingelagerten Stickoxide ermöglichen.
Spätestens sobald die Regeneration der Stickoxidspeichervorrichtung 13 mittels eines fetten Betriebs des Verbrennungsmotors 1 abgeschlossen ist, bei einer andersartigen Regeneration auch schon dann, wenn die Betriebstemperatur des Stickoxidkonverters 12 die Anspringtemperatur erreicht hat, wird der Verbrennungsmotor 1 dauerhaft beziehungsweise bis zu einer Beendigung des Betriebs oder bis zu einem Zeitpunkt in dem Betrieb, in dem die Betriebstemperatur des Stickoxidkonverters 12 wieder unter die Anspringtemperatur fällt (beispielsweise aufgrund einer länger andauernden Bergabfahrt eines die Brennkraftmaschine umfassenden Kraftfahrzeugs) stöchiometrisch betrieben. Dies ermöglicht eine möglichst optimale Nachbehandlung des Abgases mittels des vorzugsweise in Form eines Dreiwegekatalysators ausgestalteten Stickoxidkonverters 12.
Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 11 der Brennkraftmaschine kann konkret eine der in den 2 bis 6 dargestellten Ausgestaltungsformen aufweisen.
Die Abgasnachhandlungsvorrichtung 11 gemäß der 2 umfasst ausgehend von dem Verbrennungsmotor 1 beziehungsweise in Strömungsrichtung 15 des Abgases gesehen einen ersten, einfachen Dreiwegekatalysator 12a, der u.a. die Funktion eines ersten Stickoxidkonverters 12 aufweist. Aufgrund der Ausgestaltung als einfacher Dreiwegekatalysator 12a umfasst dieser weder eine Stickoxidspeicherkapazität noch ist in diesen ein Partikelfilter integriert. Dem ersten Dreiwegekatalysator 12a folgt ein zweiter Dreiwegekatalysator 12b, der eine Stickoxidspeicherkapazität aufweist (TWNSC) und der folglich auch als Stickoxidspeichervorrichtung 13 dient. Dieser zweite Dreiwegekatalysator 12b stellt demnach eine integrale Ausgestaltung eines Stickoxidkonverters 12 und einer Stickoxidspeichervorrichtung 13 dar. An den zweiten Dreiwegekatalysator mit Stickoxidspeicherkapazität 12b schließt sich ein Partikelfilter (OPF) 14 an.
Die Abgasnachhandlungsvorrichtung 11 gemäß der 3 umfasst ausgehend von dem Verbrennungsmotor 1 einen Dreiwegekatalysator mit Stickoxidspeicherkapazität 12b. Diesem folgt ein einfacher Dreiwegekatalysator 12a. An diesen einfachen Dreiwegekatalysator 12a schließt sich ein Partikelfilter 14 an.
Die Abgasnachbehandlungseinrichtungen 11 gemäß den 2 und 3 unterscheiden sich durch einen Wechsel der Anordnungen des Dreiwegekatalysators mit Stickoxidspeicherkapazität 12b und des einfachen Dreiwegekatalysator 12a. Die Ausgestaltungsform gemäß der 3 weist dabei den Vorteil auf, dass der Dreiwegekatalysator mit Stickoxidspeicherkapazität 12b näher an dem Verbrennungsmotor 1 gelegen ist und dadurch nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 1 schneller erwärmt wird. Dadurch kann ein besonders schnelles Wirksamwerden der Stickoxidspeicherkapazität dieses Dreiwegekatalysators 12b realisiert werden. Nachteilig an der relativ nah an dem Verbrennungsmotor 1 gelegenen Position des Dreiwegekatalysators mit Stickoxidspeicherkapazität 12b kann dagegen die relativ hohe thermische Belastung der Stickoxidspeicherkapazität während eines Betriebs des Verbrennungsmotors 1 mit relativ hohen Lasten und entsprechend hohen Abgastemperaturen sein, womit eine relativ schnelle Alterung der Stickoxidspeicherkapazität einhergehen kann. Dies kann zu einer relativ schnellen Verringerung der Fähigkeit zur Speicherung von Stickoxiden führen.
Die Abgasnachhandlungsvorrichtung 11 gemäß der 4 umfasst ausgehend von dem Verbrennungsmotor 1 einen Dreiwegekatalysator mit Stickoxidspeicherkapazität 12b. Diesem folgt ein Partikelfilter 14 und anschließend ein einfacher Dreiwegekatalysator 12a.
Die Abgasnachbehandlungseinrichtungen 11 gemäß den 3 und 4 unterscheiden sich durch einen Wechsel der Anordnungen des einfachen Dreiwegekatalysators 12a und des Partikelfilters 14. Vorteilhaft bei der Ausgestaltung gemäß der 4 kann dabei die relativ nah an dem Verbrennungsmotor 1 gelegene Anordnung des Partikelfilters 14 sein, die sich vorteilhaft bei einer Regeneration des Partikelfilters 14, die durch temporäre innermotorische Maßnahmen zur Erzielung relativ heißen Abgases bewirkt werden kann, auswirken kann. Die relativ nah an dem Verbrennungsmotor 1 gelegene Anordnung des Partikelfilters 14 ermöglicht dabei eine relativ schnell ablaufende Regeneration des Partikelfilters 14, was sich vorteilhaft auf den Wirkungsgrad im Betrieb des Verbrennungsmotors 1 während dieser Regeneration auswirkt. Nachteilig an dieser Anordnung gemäß der 4 kann jedoch die relativ weit von dem Verbrennungsmotor 1 entfernt gelegene Anordnung des einfachen Dreiwegekatalysators 12a sein, wodurch dieser erst relativ spät nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 1 seine Anspringtemperatur erreicht.
Die Abgasnachhandlungsvorrichtung 11 gemäß der 5 umfasst ausgehend von dem Verbrennungsmotor 1 einen einfachen Dreiwegekatalysator 121. Diesem folgt ein Partikelfilter 14 und anschließend ein Dreiwegekatalysator mit Stickoxidspeicherkapazität 12b.
Die Abgasnachbehandlungseinrichtungen gemäß den 2 und 5 unterscheiden sich durch einen Wechsel der Anordnungen des Dreiwegekatalysators mit Stickoxidspeicherkapazität 12b und des Partikelfilters 14. Vorteilhaft bei der Ausgestaltung gemäß der 5 kann dabei wiederum die relativ nah an dem Verbrennungsmotor 1 gelegene Anordnung des Partikelfilters 14 sein, die sich vorteilhaft bei einer Regeneration des Partikelfilters 14 auswirken kann. Nachteilig an dieser Anordnung gemäß der 5 kann jedoch die relativ weit von Verbrennungsmotor 1 gelegene Anordnung des Dreiwegekatalysators mit Stickoxidspeicherkapazität 12b sein, wodurch dessen Stickoxidspeicherkapazität erst relativ spät nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 1 seine Anspringtemperatur erreicht.
Die Abgasnachhandlungseinrichtung 11 gemäß der 6 umfasst ausgehend von dem Verbrennungsmotor 1 einen Dreiwegekatalysator mit Stickoxidspeicherkapazität 12b. Diesem folgt ein Partikelfilter 14. Im Vergleich zu den Abgasnachbehandlungseinrichtungen 11 gemäß den 2 bis 5 ist folglich ein (einfacher) Dreiwegekatalysator weniger vorgesehen. Dadurch ergibt sich eine relativ einfache und damit kostengünstige Ausgestaltung der Abgasnachbehandlungseinrichtung 11. Gleichzeitig können damit bei bestimmten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors 1 Nachteile hinsichtlich der Abgasemissionen verbunden sein.
Bei sämtlichen der in den 2 bis 6 dargestellten Abgasnachbehandlungseinrichtungen 11 kann jeweils noch ein weiterer Dreiwegekatalysator beziehungsweise Stickoxidkonverter (nicht dargestellt) stromab der letzten der jeweils beschriebenen beziehungsweise in den jeweiligen Figuren dargestellten Abgasnachbehandlungskomponenten angeordnet sein. Dabei kann dieser weitere Dreiwegekatalysator insbesondere als einfacher Dreiwegekatalysator ausgestaltet sein. Dieser kann zudem unterhalb eines Unterbodens eines Kraftfahrzeugs, das eine entsprechende Brennkraftmaschine umfasst, angeordnet sein und damit eine relativ weit von dem Verbrennungsmotor 1 entfernte Lage aufweisen.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
2: Zylinderöffnung
3: Hubkolben
4: Brennraum
5: Frischgasstrang
6: Einlassventil
7: Kraftstoffinjektor
8: Abgasstrang
9: Auslassventil
10: Zündvorrichtung
11: Abgasnachbehandlungseinrichtung
12: Stickoxidkonverter
12a: einfacher Dreiwegekatalysator
12b: Dreiwegekatalysator mit Stickoxidspeicherkapazität
13: Stickoxidspeichervorrichtung
14: Partikelfilter
15: Strömungsrichtung des Abgases

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3115566 A1 [0004]
DE 102017100518 A1 [0005]
DE 102011118337 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, die einen Verbrennungsmotor (1) und einen Abgasstrang (7) mit einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (11) aufweist, wobei die Abgasnachbehandlungseinrichtung (11) einen Stickoxidkonverter (12) und eine Stickoxidspeichervorrichtung (13) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass - bei einer Temperatur des Stickoxidkonverters (12), die unterhalb von dessen Anspringtemperatur liegt, der Verbrennungsmotor (1) mager betrieben wird, und - bei einer Temperatur des Stickoxidkonverters (12), die mindestens der Anspringtemperatur entspricht, - der Verbrennungsmotor (1) zumindest zeitweise stöchiometrisch betrieben und - die Stickoxidspeichervorrichtung (13) regeneriert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) während einer Warmlaufphase ausgehend von einem Kaltstart mager betrieben wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stickoxidspeichervorrichtung (13) durch einen fetten Betrieb des Verbrennungsmotors (1) und/oder thermisch regeneriert wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stickoxidspeichervorrichtung (13) durch einen fetten Betrieb des Verbrennungsmotors (1) regeneriert wird, wobei der fette Betrieb nach dem mageren Betrieb und vor dem stöchiometrischen Betrieb des Verbrennungsmotors (1) durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung (11) mindestens einen weiteren Stickoxidkonverter (12) umfasst.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickoxidkonverter (12) oder einer der Stickoxidkonverter (12) und die Stickoxidspeichervorrichtung (13) kombiniert oder separiert ausgestaltet sind.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickoxidkonverter (12) oder einer, mehrere oder alle der Stickoxidkonverter (12) als Dreiwegekatalysator (12a, 12b) ausgestaltet ist/sind.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungseinrichtung (11) einen oder mehrere Partikelfilter (14) umfasst.