DE102021112904A1 - Verfahren zur Abgasnachbehandlung und Abgasnachbehandlungssystem - Google Patents

Verfahren zur Abgasnachbehandlung und Abgasnachbehandlungssystem Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors während des Kaltstarts, wobei das Abgas mindestens eine motornahe Abgasreinigungseinrichtung (10) durchströmt, die mindestens einen ersten Drei-Wege-Katalysator (12) aufweist, das Abgas stromabwärts der motornahen Abgasreinigungseinrichtung (10) mindestens einen zweiten Drei-Wege-Katalysator (14) durchströmt und wobei mindestens ein Abgasbrenner (16) zum Aufheizen des zweiten Drei-Wege-Katalysators (14) vorgesehen ist, wobei der Verbrennungsmotor mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis von λ=0,6 bis λ=0,95 betrieben wird der Abgasbrenner mit einer Mischluft aus motorischem Abgas und Brennerabgas betrieben wird, wobei das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Mischluft von λ=1,0 bis λ =1,2 eingestellt wird,Bei dem Verfahren, bei dem alle Komponenten der Abgasnachbehandlung möglichst schnell auf ihre Betriebstemperatur gebracht werden können, um die Kaltstartemissionen möglichst effektiv zu verringern, wobei gleichzeitig Nachteile von Maßnahmen zum Heizen von Abgasen kompensiert werden, ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von λ=1,0 betrieben wird, sobald der zweite Drei-Wege-Katalysator (14) seine Betriebstemperatur erreicht hat.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors während des Kaltstarts, wobei das Abgas mindestens eine motornahe Abgasreinigungseinrichtung durchströmt, wobei die motornahe Abgasreinigungseinrichtung mindestens einen ersten Drei-Wege-Katalysator aufweist, wobei das Abgas stromabwärts der motornahen Abgasreinigungseinrichtung mindestens einen zweiten Drei-Wege-Katalysator durchströmt und wobei mindestens ein Abgasbrenner zum Aufheizen des zweiten Drei-Wege-Katalysators vorgesehen ist, wobei der Verbrennungsmotor mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis von λ=0,6 bis λ=0,95, bevorzugt λ=0,7 bis λ=0,8, betrieben wird, wobei der Abgasbrenner mit einer Mischluft aus motorischem Abgas und Brennerabgas betrieben wird, wobei das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Mischluft von λ=1,0 bis λ =1,2, bevorzugt λ=1,0, eingestellt wird.
  • Daneben betrifft die Erfindung ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, mit einem Einlass zur Aufnahme des Abgases des Verbrennungsmotors, mit mindestens einem Abgaskanal, wobei stromabwärts des Einlasses im Abgaskanal eine motornahe Abgasreinigungseinrichtung angeordnet ist, wobei die motornahe Abgasreinigungseinrichtung mindestens einen ersten Drei-Wege-Katalysator umfasst, wobei stromabwärts des motornahen ersten Drei-Wege-Katalysators im Abgaskanal mindestens ein zweiter Drei-Wege-Katalysator angeordnet ist und wobei mindestens ein Abgasbrenner zum Aufheizen des zweiten Drei-Wege-Katalysators vorgesehen ist.
  • Aufgrund der Entwicklung der Abgasgesetzgebung werden Fahrzeughersteller vor die Herausforderung gestellt, die motorischen Rohemissionen zu reduzieren und das noch entstehende Abgas durch entsprechende Abgasnachbehandlungen aufzureinigen. Die Gesetzgebungsstufe EU7 macht es erforderlich, dass Ottomotoren häufig einen Partikelfilter benötigen, um die vorgegebene zulässige Partikelanzahl bei den Emissionen nicht zu überschreiten. Im Fahrbetrieb wird ein solcher Ottopartikelfilter mit Ruß beladen. Damit der Abgasgegendruck nicht zu stark ansteigt, muss dieser Ottopartikelfilter kontinuierlich oder periodisch regeneriert werden. Der Anstieg des Abgasgegendrucks kann zu einem Mehrverbrauch des Verbrennungsmotors, Leistungsverlust und einer Beeinträchtigung der Laufruhe bis hin zu Zündaussetzern führen.
  • Insbesondere in der Kaltstartphase emittieren Ottomotoren signifikante Mengen gasförmiger Schadstoffe. Dazu gehören Stickoxide (NOx), Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonoxid (CO). Diese Schadstoffe werden nach Stand der Technik über beschichtete Katalysatoren umgesetzt. Diese Systeme benötigen eine Mindesttemperatur, um betriebsbereit zu sein. Vor dem Hintergrund der drohenden Verkürzung des Urban-Teils im Rahmen der EU7-Gesetzgebung sowie einer weiteren Grenzwertverschärfung in anderen Teilen der Welt, zum Beispiel den USA, ist eine Einhaltung der Grenzwerte mit bekannten Techniken kritisch. Brennerbeheizte Drei-Wege-Katalysatoren können wegen der sehr hohen Brennerleistung schnell auf die Mindesttemperatur erwärmt werden.
  • Ferner gibt es zum Heizen der Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems die Möglichkeit von motorischen Heizmaßnahmen, Sekundärlufteinblasung in Kombination mit motorischem Fettbetrieb oder auch elektrische Heizkatalysatoren in der Abgasanlage.
  • Die einzelnen Methoden weisen unterschiedliche Nachteile auf. Motorische Heizmaßnahmen nehmen Einfluss auf die Motorrohemissionen. Ferner wird die Wärme nur in Motornähe erzeugt, wodurch Wärmeverluste im Motor, im Krümmer und über einen etwaigen Turbolader stromauf des zu erwärmenden Katalysators auftreten.
  • Bei der Sekundärlufteinblasung in Kombination mit einem motorischen Fettbetrieb muss unter allen Betriebsbedingungen eine gute Durchmischung des fetten Motorabgases mit der zugeführten Sekundärluft sichergestellt werden. Für die Nachoxidation und Verbrennung der oxidierbaren Abgasbestandteile des motorischen Fettbetriebes müssen innerhalb der Abgasanlage stromaufwärts des Katalysators zwingend heiße Temperaturen durch den motorischen Betrieb sichergestellt werden, um das fette Motorabgas in Verbindung mit der Sekundärluft sicher zu entzünden und nachzuverbrennen. Aufgrund des vorhergenannten Punktes ist eine sichere Verbrennungseinleitung nur im Bereich der Auslassventile möglich. Die Sekundärluft muss mit einem beträchtlichen konstruktiven Mehraufwand den Auslasskanälen des Motors zugeführt werden. Die Sekundärlufteinblasung muss für eine sichere Nachverbrennung stromauf der Turbine erfolgen. Stromauf der Turbine ist das Druckniveau deutlich höher, als direkt vor dem zu erwärmenden Katalysator stromab der Turbine. Die Sekundärluftpumpen müssen auf ein höheres Druckniveau ausgelegt werden.
  • Aufgrund des hohen Druckniveaus vor der Turbine ist das Heizen mit Sekundärluft nur in einem sehr kleinen Motorbetriebsbereich möglich. Bei höheren Gegendrücken entsprechender Motorlastpunkte muss das Sekundärluftheizen unterbrochen werden. Die Stichkanäle der Sekundärluftkanäle stellen ein Dämpfungsvolumen dar und dämpfen die Druckstöße, welche durch das Öffnen der Auslassventile auftreten. Dies führt zu einer Absenkung der für die Aufladung zur Verfügung stehenden Energie und führt insbesondere bei Motoren mit großem Zündabstand, zum Beispiel Dreizylindermotoren, zu Einbußen in der Dynamik beziehungsweise dem Ladedruckaufbau.
  • Elektrische Heizkatalysatoren in der Abgasanlage haben den Nachteil, dass der Strom von der Batterie oder dem Generator des Fahrzeugs mittels Lastpunktanhebung zur Verfügung gestellt werden muss. Im Besonderen die Lastpunktanhebung des Motors beeinflusst das Rohemissionsverhalten. Durch eine Betriebspunktverschiebung wird auch das Potential motorischer Heizmaßnahmen durch Zündwinkelspätverstellung gesenkt. Auch die Entnahme des Stroms aus der Batterie beeinflusst den motorischen Betrieb, da zum Sicherstellen des SOC (state of charge) der Generator des Motors den Strom nachführen muss. Die maximale Heizleistung der elektrischen Maßnahmen ist wesentlich abhängig von der Spannungslage des Bordnetzes. Hohe elektrische Heizleistungen sind bei Fahrzeugen mit 12V- und 48V-Bordnetz deutlich schwieriger darstellbar als bei Hochvoltsystemen. Elektrische Leistungen >10kW sind bei Bordnetzspannungen bis 48 Volt nur schwer realisierbar. Der elektrische Heizkatalysator ist ein zusätzliches Bauteil, das direkt in der Abgasanlage verbaut werden muss, um das Abgas direkt aufzuheizen. Die Verortung direkt in der Abgasanlage führt zu einem erhöhten Gegendruck und zusätzlicher thermischer Masse.
  • Aus dem Stand der Technik sind Bemühungen bekannt, einzelne Nachteile dieser Maßnahmen durch Kombinationen der jeweiligen Maßnahmen zu vermeiden. Die US 2020/0232359 A1 zeigt beispielsweise eine Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor, die eine erste, motornahe Abgasreinigungseinrichtung und eine zweite, motorferne Abgasreinigungseinrichtung umfasst, wobei die zweite Abgasreinigungseinrichtung durch eine Kombination eines vorgeschalteten Brenners sowie einer elektrischen Heizeinrichtung beheizbar ist. Zum Erwärmen der Abgasreinigungseinrichtung nach einem Motorstart wird der Verbrennungsmotor mit zumindest einer innermotorischen Maßnahme zur Anhebung der Abgastemperatur betrieben, und der Brenner und die elektrische Heizeinrichtung zur Aufheizung der zweiten Abgasreinigungseinrichtung zeitgleich oder zeitlich versetzt aktiviert, wobei ein in die zweite Abgasreinigungseinrichtung eintretendes Mischgas auf einen stöchiometrischen Lambdawert eingestellt wird. Somit wird ein beschleunigtes Aufheizen der Abgasreinigungseinrichtungen und somit eine Verminderung von Startemissionen erreicht. Dennoch bestehen teilweise der oben genannten Nachteile weiterhin.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung sowie ein Abgasnachbehandlungssystem anzugeben, bei denen alle Komponenten der Abgasnachbehandlung möglichst schnell auf ihre Betriebstemperatur gebracht werden können, um die Kaltstartemissionen möglichst effektiv zu verringern, wobei gleichzeitig Nachteile von Maßnahmen zum Heizen von Abgasen kompensiert werden.
  • Diese Aufgabe ist bei der vorliegenden Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 zunächst dadurch gelöst, dass der Verbrennungsmotor mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von λ=1,0 betrieben wird, sobald der zweite Drei-Wege-Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat.
  • Bei einem stöchiometrischen Kraftstoffverhältnis ist genau die Luftmenge vorhanden, die theoretisch benötigt wird, um den Kraftstoff vollständig zu verbrennen. Dies wird als λ=1 bezeichnet. Ein motorischer Fettbetrieb bedeutet in diesem Zusammenhang, dass in Bezug auf das stöchiometrische Kraftstoffverhältnis mehr Kraftstoff vorhanden ist. Bei einem motorischen Fettbetrieb wird die Abgastemperatur eigentlich reduziert. Durch zusätzliche Sekundärlufteinblasung wird das ideale stöchiometrische Verhältnis wiederhergestellt und die zu verbrennende Menge insgesamt erhöht. Auf diese Weise kann ein schnelleres Aufheizen der motornahen Abgasreinigungseinrichtung erreicht werden.
  • Ein ottomotorischer Fettbetrieb mit unterstöchiometrischen Luftverhältnissen deutlich λ<1,0 ist mitunter bis an die Laufgrenze von λ=0,6 möglich. Im unterstöchiometrischen Bereich steigt die Konzentration an unverbrannten Emissionskomponenten, im besonderen HC, CO und Wasserstoff, deutlich an. Die unverbrannten Komponenten können in der Abgasanlage unter Zugabe von Sauerstoff in Form einer exothermen Nachreaktion nachverbrannt werden, beispielsweise mittels Sekundärluftzuführung. Die Stickoxidemission nimmt im unterstöchiometrischen Bereich sehr stark ab.
  • Unter einer motornahen Position ist in diesem Zusammenhang eine Position in dem Abgasnachbehandlungssystem mit einer Abgaslauflänge von einem stirnseitigen Eingang des Drei-Wege-Katalysators von weniger als 80 cm, vorzugsweise von weniger als 50 cm, ab einem Auslass des Verbrennungsmotors zu verstehen.
  • Ein Drei-Wege-Katalysator ist im Rahmen dieser Anmeldung ein Material, das in der Lage ist, zumindest teilweise Kohlenstoffmonoxid (CO), Stickoxide (NOx) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) zu Kohlenstoffdioxid (CO2), Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) umzuwandeln.
  • In dem Abgasbrenner wird Kraftstoff verbrannt und das heiße Abgasbrennerabgas direkt in die Abgasanlage zum Heizen zugeführt. Der Abgasbrennerbetrieb ist über die gezielte Zumischung von Luft und Kraftstoff sowohl im unterstöchiometrischen als auch überstöchiometrischen Bereich möglich. Ein Betrieb des Abgasbrenners mit Ottokraftstoff ist im Bereich von λBrenner=0,3 bis 1,6 möglich.
  • Ziel der Erfindung ist es, den Verbrennungsmotor während des Kaltstarts unterstöchiometrisch zu betreiben, in Kombination mit einem überstöchiometrischen Betrieb des Abgasbrenners. Während des unterstöchiometrischen motorischen Betriebes werden die NOx Rohemissionen im Vergleich zum stöchiometrischen Betrieb reduziert und zeitgleich die oxidierbaren Abgasbestandteile des motorischen Fettbetriebes (H2, HC; CO) mittels eines überstöchiometrischen Betriebs des Abgasbrenners in der Abgasanlage stromauf eines Drei-Wege-Katalysators nachverbrannt. In Kombination beider Verfahren erreicht man durch die Nachreaktion mit dem Abgas des Abgasbrenners sowohl minimale NOx Emissionen, als auch minimale HC und CO Emissionen. Darüber hinaus wird durch die exotherme Reaktion der unverbrannten Bestandteile die Wärme direkt stromauf des zu heizenden Bauteils freigesetzt, wodurch die Zeit bis zum Erreichen der Betriebstemperatur weiter verkürzt wird und der Wirkungsgrad der Heizmaßnahme, also der Wärmeeintrag in den Katalysator, bezogen auf den eingesetzten Kraftstoff, erhöht wird. Bedarfsweise kann dieses Verfahren zum optimierten und noch schnelleren Aufheizverhalten durch den motorischen Heizbetrieb unterstützt werden.
  • Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
  • Bei einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Abgasbrenner ausgestellt wird, sobald der erste Drei-Wege-Katalysator und der zweite Drei-Wege-Katalysator ihre Betriebstemperatur erreicht haben. Durch den motorischen Fettbetrieb werden die NOx Emissionen des Motors gesenkt. Die HC und CO Emissionen des motorischen Fettbetriebes werden durch die heißen überstöchiometrischen Brennerabgase direkt in der Abgasanlage stromauf des Drei-Wege-Katalysators nachoxidiert. Durch die zusätzliche exotherme Reaktion addieren sich die Heizleistungen des Motors mit denen des Brenners und der exothermen Nachreaktion, wodurch ein maximal schnelles Erreichen der Betriebstemperatur des stromab angeordneten Drei-Wege-Katalysators erreicht wird. Sobald die Betriebstemperatur beider Drei-Wege-Katalysatoren erreicht ist, wird der Abgasbrenner ausgestellt und die Lambda-Regelung vom Motor auf ein stöchiometrisches Gesamtluftverhältnis übernommen.
  • Bei einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Abgasbrenner in einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von λ=1,0 betrieben wird, sobald der zweite Der-Wege-Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat. Der Mischbetrieb wird folglich solange aufrecht erhalten bis der zweite Drei-Wege-Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat. Dann wird der motorische Betrieb auf ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis eingestellt und mit dem Brenner auf ein stöchiometrisches Gesamtluftverhältnis geregelt. Dieser Betrieb kann solange aufrecht erhalten werden, bis eine saubere Konvertierung und motorische Regelung über den motornahen Drei-Wege-Katalysator möglich ist.
  • Dazu kann dann bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Abgasbrenner ausgeschaltet wird, wenn der erste Drei-Wege-Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat.
  • Um die Abgastemperatur weiter steigern zu können, ist bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass die Abgastemperatur des Verbrennungsmotors durch Zündwinkelspätverstellung erhöht wird. Die Zündwinkelspätverstellung ist ein effektives Verfahren zum Erhöhen der Abgastemperatur. Bedingt durch die einhergehende Wirkungsgradverschlechterung der Verbrennung kann die Abgastemperatur deutlich erhöht werden. Die Heizmaßnahmen der motorischen Zündwinkelspätverstellung können zusätzlich durch weitere Späteinspritzungen, dem sogenannten Homogen-Split-Betrieb, gesteigert werden.
  • Bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Abgasbrenner zeitgleich oder kurz vor dem Motor gestartet wird.
  • Die zuvor genannte Aufgabe wird außerdem gelöst von einem vorgenannten Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, mit einem Einlass zur Aufnahme des Abgases des Verbrennungsmotors, mit mindestens einem Abgaskanal, wobei stromabwärts des Einlasses im Abgaskanal eine motornahe Abgasreinigungseinrichtung angeordnet ist, wobei die motornahe Abgasreinigungseinrichtung mindestens einen ersten Drei-Wege-Katalysator umfasst, wobei stromabwärts des motornahen ersten Drei-Wege-Katalysators im Abgaskanal mindestens ein zweiter Drei-Wege-Katalysator angeordnet ist und wobei mindestens ein Abgasbrenner zum Aufheizen des zweiten Drei-Wege-Katalysators vorgesehen ist. Es ist vorgesehen, dass das Abgasnachbehandlungssystem dazu ausgestaltet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen. Die obigen Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren gelten entsprechend auch für das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem.
  • Das Abgasnachbehandlungssystem ist mit dem Einlass mit einem Auslass eines Verbrennungsmotors verbindbar, sodass vom Motor emittierte Abgase direkt in das Abgasnachbehandlungssystem geleitet werden. Der Abgaskanal ist bevorzugt als Rohrleitung ausgestaltet, durch die das Abgas strömen kann. Die verschiedenen Einbauten, wie der erste Drei-Wege-Katalysator und der zweite Drei-Wege-Katalysator, können in der Rohrleitung angeordnet oder selbst Teil der Rohrleitung sein.
  • Bei einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass die motornahe Abgasreinigungseinrichtung mindestens einen ersten Partikelfilter umfasst. Der erste Partikelfilter kann als Ottopartikelfilter ausgestaltet sein, in dem eine hochporöse hitzebeständige Cordierit-Keramik eingesetzt ist. Die im Abgas enthaltenen Rußpartikel bleiben auf der rauen Keramikoberfläche haften.
  • Ferner ist bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems vorgesehen, dass stromabwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators mindestens ein weiterer Partikelfilter angeordnet ist. Da der weitere Partikelfilter stromab des Abgasbrenners verbaut ist, kann der Partikelfilter durch den Abgasbrenner regeneriert werden. Weiterhin wird auch das Abgas des Abgasbrenners durch den weiteren Partikelfilter gefiltert. Der weitere Partikelfilter kann am Unterboden angeordnet sein. Da diese Anordnung weiter entfernt vom Verbrennungsmotor, also nicht motornah ist, wird das Gegendruckniveau im Vergleich zur motornahen Anordnung reduziert.
  • Vorteilhafterweise ist bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems vorgesehen, dass mindestens eine Turbine im Abgaskanal zwischen dem Einlass und dem ersten Drei-Wege-Katalysator angeordnet ist. Die Turbine kann beispielsweise Teil eines Turboladers sein. Ein Turbolader ist ein Bauteil zur Erzeugung von Motoraufladung. Er steigert die Motorleistung beziehungsweise die Effizienz des Verbrennungsmotors. Seine Arbeitsweise besteht darin, einen Teil der Energie des Motorabgases mittels der Turbine innerhalb der Abgasanlage zu nutzen, um einen Verdichter anzutreiben.
  • 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 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung,
    • 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung und
    • 3 ein drittes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Darstellung.
  • 1 zeigt eine schematische Durchführung eines Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors. Nachdem das Abgas den hier nicht dargestellten Verbrennungsmotor verlässt, wird es zunächst in eine motornahe Abgasreinigungseinrichtung 10 geleitet. Die motornahe Abgasreinigungseinrichtung 10 umfasst einen ersten Drei-Wege-Katalysator 12. Stromabwärts der motornahen Abgasreinigungseinrichtung 10 ist ein zweiter Drei-Wege-Katalysator 14 angeordnet.
  • Der zweite Drei-Wege-Katalysator 14 weist eine katalytische Schicht auf. Die katalytische Schicht ist in der Lage, bei Kontakt mit dem Abgas zumindest teilweise im Abgas enthaltenes Kohlenstoffmonoxid (CO), Stickoxide (NOx) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) zu Kohlenstoffdioxid (CO2), Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) umzuwandeln.
  • Damit der zweite Drei-Wege-Katalysator 14 seine katalytische Wirkung optimal entfalten kann, muss er auf seine optimale Betriebstemperatur gebracht werden. Insbesondere in der Kaltstartphase emittieren Ottomotoren signifikante Mengen gasförmiger Schadstoffe. Darum ist es notwendig, dass der zweite Drei-Wege-Katalysator 14 möglichst schnell auf die entsprechende Betriebstemperatur gebracht wird. Die Drei-Wege-Katalysatoren 12, 14 werden zwar unter anderem durch das heiße Abgas aufgewärmt, zusätzlich ist stromaufwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysator 14 ein Abgasbrenner 16 vorgesehen.
  • Insgesamt wird durch die motornahe Abgasreinigungseinrichtung 10 und den zweiten Drei-Wege-Katalysator 14 sowie die elektrische Heizvorrichtung 16 ein Abgasnachbehandlungssystem 18 gebildet. Das Abgasnachbehandlungssystem 18 weist einen Einlass 20 zur Aufnahme der Abgase des Verbrennungsmotors auf, die über einen Abgaskanal 22 zu den einzelnen Bauteilen des Abgasnachbehandlungssystems 18 geleitet werden.
  • Der Motorkaltstart des Verbrennungsmotors erfolgt gemäß dem Verfahren fett mit einem Luftzu Kraftstoffverhältnis von λ=0,7 bis 0,8. Der Abgasbrenner 16 wird zeitgleich oder alternativ wenige Sekunden vor dem Verbrennungsmotor gestartet und überstöchiometrisch betrieben. Das Luft- zu Kraftstoffverhältnis des Abgasbrenners 16 wird hierbei derart eingeregelt, dass sich ein Mischluftverhältnis aus motorischem Abgas und Brennerabgas von λ=1,0, also ein stöchiometrisches Mischverhältnis einstellt. Durch den motorischen Fettbetrieb werden die NOx Emissionen des Verbrennungsmotors gesenkt. Die HC und CO Emissionen des motorischen Fettbetriebes werden durch die heißen überstöchiometrischen Brennerabgase direkt in der Abgasanlage stromauf des zweiten Drei-Wege-Katalysators 14 nachoxidiert. Durch die zusätzliche exotherme Reaktion addieren sich die Heizleistungen des Verbrennungsmotors mit denen des Abgasbrenners 16 und der exothermen Nachreaktion, wodurch ein maximal schnelles Erreichen der Betriebstemperatur des stromab angeordneten zweiten Drei-Wege-Katalysators 14 erreicht wird.
  • Sobald die Betriebstemperaturen beider Katalysatoren 12, 14 erreicht sind, wird der Abgasbrenner 16 bei diesem Ausführungsbeispiel ausgestellt und die Lambda-Regelung des Verbrennungsmotors auf ein stöchiometrisches Gesamtluftverhältnis übernommen.
  • Ein Vorteil gegenüber einer bekannten Sekundärlufteinblasung besteht darin, dass die konventionelle Sekundärlufteinblasung immer motornah, im Bereich der heißen Auslassventile, erfolgen muss, da nur so die sichere Entflammung und Nachverbrennung der motorischen Fettbestandteile sichergestellt wird. Der Abgasbrenner 16 kann die motorischen Fettbestandteile auch motorfern entzünden und nachverbrennen. Hierdurch kann der Ort der Nachreaktionszone an beliebiger Stelle in der Abgasanlage erfolgen. Da die Nachreaktionszone jetzt, im Gegensatz zur herkömmlichen Sekundärlufteinblasung, stromab einer Turbine erfolgt, kann der Betriebsbereich des Katalysatorheizens im Vergleich zum Sekundärluftheizen zu deutlich höheren Motorlasten erweitert werden. Die Einbringung und Mischung mit Sekundärluft beim herkömmlichen Verfahren muss abgebrochen werden, wenn das Druckniveau vor der Turbine zu hoch ist.
  • 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Abgasnachbehandlungssystems 18, bei dem die motornahe Abgasreinigungseinrichtung 10 zusätzlich einen ersten Partikelfilter 24 aufweist, der stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 12 angeordnet ist. Der erste Partikelfilter 24 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Ottopartikelfilter. Der erste Partikelfilter 24 weist eine Beschichtung auf, sodass der erste Partikelfilter 24 als Vier-Wege-Katalysator ausgestaltet ist. Auf diese Weise wird die Funktionalität eines Drei-Wege-Katalysators und des Ottopartikelfilters in einem Bauteil vereint. Dazu ist eine katalytisch wirksame Beschichtung auf den ersten Partikelfilter 24 aufgetragen, welche eine drei-Wege-katalytische Wirkung aufweist.
  • 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Abgasnachbehandlungssystems 18, bei dem stromabwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators 14 ein weiterer Partikelfilter 26 angeordnet ist. Der weitere Partikelfilter 26 kann mit dem Abgasbrenner 16 regeneriert werden. Darüber hinaus kann das Abgas des Abgasbrenners 16 durch den weiteren Partikelfilter 26 gefiltert werden. Durch die motorferne Anordnung des weiteren Partikelfilters 26 wird das Gegendruckniveau im Vergleich zur motornahen Anordnung reduziert.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Motornahe Abgasreinigungseinrichtung
    12
    Erster Drei-Wege-Katalysator
    14
    Zweiter Drei-Wege-Katalysator
    16
    Abgasbrenner
    18
    Abgasnachbehandlungssystem
    20
    Einlass
    22
    Abgaskanal
    24
    Erster Partikelfilter
    26
    Weiterer Partikelfilter
  • 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
    • US 2020/0232359 A1 [0010]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors während des Kaltstarts, wobei das Abgas mindestens eine motornahe Abgasreinigungseinrichtung (10) durchströmt, welche einen ersten Drei-Wege-Katalysator (12) aufweist, das Abgas stromabwärts der motornahen Abgasreinigungseinrichtung (10) mindestens einen zweiten Drei-Wege-Katalysator (14) durchströmt und wobei mindestens ein Abgasbrenner (16) zum Aufheizen des zweiten Drei-Wege-Katalysators (14) vorgesehen ist, wobei der Verbrennungsmotor mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Verhältnis von λ=0,6 bis λ=0,95, bevorzugt λ=0,7 bis λ=0,8, betrieben wird und der Abgasbrenner mit einer Mischluft aus motorischem Abgas und Brennerabgas betrieben wird, wobei das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in der Mischluft von λ=1,0 bis λ=1,2, bevorzugt λ=1,0, eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von λ=1,0 betrieben wird, sobald der zweite Drei-Wege-Katalysator (14) seine Betriebstemperatur erreicht hat.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasbrenner (16) ausgestellt wird, sobald der erste Drei-Wege-Katalysator (12) und der zweite Drei-Wege-Katalysator (14) ihre Betriebstemperatur erreicht haben.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasbrenner (16) in einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von λ=1,0 betrieben wird, sobald der zweite Der-Wege-Katalysator (14) seine Betriebstemperatur erreicht hat.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasbrenner (16) ausgeschaltet wird, wenn der erste Drei-Wege-Katalysator (12) seine Betriebstemperatur erreicht hat.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgastemperatur des Verbrennungsmotors durch Zündwinkelspätverstellung erhöht wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasbrenner (16) zeitgleich mit oder kurz vor dem Verbrennungsmotor gestartet wird.
  7. Abgasnachbehandlungssystem (18) für einen Verbrennungsmotor, mit einem Einlass (20) zur Aufnahme des Abgases des Verbrennungsmotors, mit mindestens einem Abgaskanal (22), wobei stromabwärts des Einlasses (20) im Abgaskanal (22) eine motornahe Abgasreinigungseinrichtung (10) angeordnet ist, wobei die motornahe Abgasreinigungseinrichtung (10) mindestens einen ersten Drei-Wege-Katalysator (12) umfasst, wobei stromabwärts des motornahen ersten Drei-Wege-Katalysators (12) im Abgaskanal (22) mindestens ein zweiter Drei-Wege-Katalysator (14) angeordnet ist und wobei mindestens ein Abgasbrenner (16) zum Aufheizen des zweiten Drei-Wege-Katalysators (14) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasnachbehandlungssystem (18) dazu ausgestaltet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.
  8. Abgasnachbehandlungssystem (18) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die motornahe Abgasreinigungseinrichtung (10) mindestens einen ersten Partikelfilter (24) umfasst.
  9. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators (14) mindestens ein weiterer Partikelfilter (28) angeordnet ist.
  10. Abgasnachbehandlungssystem (18) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Turbine im Abgaskanal zwischen dem Einlass (20) und dem ersten Drei-Wege-Katalysator (12) angeordnet ist.
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