DE102022128134A1

DE102022128134A1 - Vorrichtung zum Nachbehandeln eines Abgases sowie Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungsmotoranordnung

Info

Publication number: DE102022128134A1
Application number: DE102022128134.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Forsting; Hanno Friederichs; Jörg Kemmerling; Helmut Kindl; Frank Krämer; Rainer Lach; Hans Günter Quix; Vanco Smiljanovski; Frank Wunderlich
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2022-10-25
Filing date: 2022-10-25
Publication date: 2024-04-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Nachbehandeln eines Abgases eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors (2), aufweisend wenigstens einen Partikelfilter, insbesondere einen Dieselrußpartikelfilter (37), wenigstens einen dem Partikelfilter bezüglich eines Abgasstroms durch die Vorrichtung (1) stromabwärts nachgeschalteten Drei-Wege-Katalysator (38) und wenigstens eine zwischen den Partikelfilter und den Drei-Wege-Katalysator (38) geschaltete Lambdasonde (39). Um Stickstoffoxid-Emissionen während einer Regeneration des Partikelfilters, insbesondere des Dieselrußpartikelfilters (37) zu reduzieren, weist die Vorrichtung (1) wenigstens einen zwischen den Partikelfilter und den Drei-Wege-Katalysator (38) geschalteten Kraftstoffverdampfer (40) und wenigstens eine Regelelektronik (41) zum Regeln eines Betriebs des Kraftstoffverdampfers (40) während eines Partikelfilter-Regenerationsbetriebs der Vorrichtung (1) in Abhängigkeit von Signalen der Lambdasonde (39), so dass ein Verbrennungsluftverhältnis λ unmittelbar stromauf des Drei-Wege-Katalysators (38) λ = 1 beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Nachbehandeln eines Abgases eines Verbrennungsmotors, insbeosndere Dieselmotor, aufweisend wenigstens einen Partikelfilter, insbesondere Dieselrußpartikelfilter, wenigstens einen dem Partikelfilter bezüglich eines Abgasstroms durch die Vorrichtung stromabwärts nachgeschalteten Drei-Wege-Katalysator und wenigstens eine zwischen den Partikelfilter und den Drei-Wege-Katalysator geschaltete Lambdasonde. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungsmotoranordnung, die wenigstens einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Dieselmotor und wenigstens eine Vorrichtung zum Nachbehandeln eines Abgases des Verbrennungsmotors aufweist, wobei die Vorrichtung wenigstens einen Partikelfilter, insbesondere einen Dieselrußpartikelfilter, wenigstens einen dem Partikelfilter bezüglich eines Abgasstroms durch die Vorrichtung stromabwärts nachgeschalteten Drei-Wege-Katalysator und wenigstens eine zwischen den Partikelfilter und den Drei-Wege-Katalysator geschaltete Lambdasonde aufweist.
Künftige Emissionsvorschriften werden Stickstoffoxid(NOx)-Kontrollen bei Fahrzeugen auch während einer Regeneration eines Partikelfilters, insbesondere eines Dieselrußpartikelfilters einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung erfordern. Die Dieselrußpartikelfilter-Regeneration erfordert eine hohe Abgastemperatur, in der Regel > 580°C, ausreichend Sauerstoff, um die Rußoxidation im Dieselrußpartikelfilter zu ermöglichen, und niedrige Rußemissionen des im Verbrennungsmotor verbrannten Gases, um einen Rußdurchbruch am Ende der Regeneration mit sehr sauberem Dieselrußpartikelfilter, das heißt niedrigem Abscheidegrad des Dieselrußpartikelfilters, zu vermeiden.
Im Stand der Technik wird die Regeneration beispielsweise durch eine späte Nacheinspritzung in den Verbrennungsmotor gesteuert, um eine Abgastemperatur zu erhöhen und eine exotherme Reaktion an einem Dieseloxidationskatalysator der Abgasnachbehandlungsvorrichtung zu ermöglichen. Dabei wird die Abgasrückführung abgeschaltet, um eine Rußbildung in dem im Verbrennungsmotor verbrannten Gas zu vermeiden und um Komponenten der Abgasrückführung, insbesondere einen Hochdruck-Kühler, einen Niedrigdruck-Kühler und Ventile, vor hohen Abgastemperaturen zu schützen. Eine Harnstoffdosierung wird dabei eingeschränkt. Dies führt jedoch aufgrund der eingeschränkten Harnstoffdosierung bei hohen Abgastemperaturen zu hohen NOx-Emissionen des im Verbrennungsmotor verbrannten Gases sowie hohen Auspuff-NOx-Emissionen.
Die DE 10 2017 100 892 A1 offenbart ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, in dessen Abgasanlage ein Partikelfilter oder ein Vier-Wege-Katalysator angeordnet ist, und in dessen Abgasanlage stromaufwärts oder stromabwärts des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators ein NOx-Speicherkatalysator angeordnet ist. Der Verbrennungsmotor wird in einem Normalbetrieb mit stöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis betrieben, wobei die bei der Verbrennung entstehenden Rußpartikel in der Abgasanlage durch den Partikelfilter oder den Vier-Wege-Katalysator zurückgehalten werden. Es wird ein Beladungszustand des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators ermittelt, wobei bei Überschreiten eines Schwellenwertes der Beladung des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators eine Regeneration eingeleitet wird. Es wird das Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors von einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis auf ein überstöchiometrisches oder unterstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis verstellt, um dem Partikelfilter oder dem Vier-Wege-Katalysator den zur Oxidation des zurückgehaltenen Rußes notwendigen Sauerstoff zuzuführen, wobei der NOx-Speicherkatalysator während der Regeneration des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators beladen oder regeneriert wird.
Die DE 10 2019 203 061 A1 offenbart ein Verfahren zum Regenerieren eines NOx-Speicherkatalysators einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung einer Verbrennungsmotoranordnung, die einen Verbrennungsmotor, einen elektrisch angetriebenen Lader, einen Hochdruck-Abgasrückführungsströmungskanal, einen Niederdruck-Abgasrückführungsströmungskanal mit einem Einlass stromabwärts der Abgasnachbehandlungsvorrichtung und ein Abgasventil, das stromabwärts des Einlasses des Niederdruck-Abgasrückführungsströmungskanals angeordnet ist, aufweist. Es wird ein Abschalten des Verbrennungsmotors erfasst, die Beladung des NOx-Speicherkatalysators bestimmt, die aktuelle Betriebstemperatur der Abgasnachbehandlungsvorrichtung bestimmt, falls die bestimmte Beladung des NOx-Speicherkatalysators einen festgelegten Schwellenwert überschreitet und die bestimmte aktuelle Betriebstemperatur einen festgelegten Schwellenwert überschreitet, der NOx-Speicherkatalysator nach dem Abschalten des Verbrennungsmotors regeneriert. Das Abgasventil wird geschlossen und Abgas wird durch den Niederdruck-Abgasrückführungsströmungskanal geleitet, wobei mittels des elektrisch angetriebenen Laders Frischluft und über den Niederdruck-Abgasrückführungsströmungskanal zurückgeführtes Abgas durch den Hochdruck-Abgasrückführungsströmungskanal zu dem NOx-Speicherkatalysator geleitet und dabei erwärmt wird, und das Gemisch aus Frischluft und zurückgeführtem Abgas stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators mit verdampftem Kraftstoff zu einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch vermischt wird.
Die DE 20 2014 009 592 U1 offenbart eine Abgasbehandlungseinrichtung zur Behandlung von Abgas einer Verbrennungsmotoranordnung, mit wenigstens einem Katalysator in einer Baueinheit mit einer Seite, welche eine Zuleitungsöffnung für Abgas in die Baueinheit und eine Ableitungsöffnung für Abgas aus der Baueinheit aufweist. Der Katalysator weist ein monolithisches Substrat auf, wobei eine erste Gruppe von Kanälen durch das Substrat in einer ersten Strömungsrichtung durchströmbar und eine zweite Gruppe von Kanälen durch das Substrat in einer zweiten, von der ersten verschiedenen Strömungsrichtung durchströmbar in der Baueinheit angeordnet ist.
Die US 6 622 480 B2 offenbart eine Dieselpartikelfiltereinheit vom sich kontinuierlich regenerierenden Typ, aufweisend einen mit einem Katalysator versehenen bzw. ausgestatteten Filter für das Einfangen von Teilchen in dem Abgas eines Dieselmotors und für das Verbrennen der eingefangenen Teilchen durch einen katalytischen Prozess, einen Oxidationskatalysator, der stromauf zu dem mit einem Katalysator versehenen Filter angeordnet ist, für das Erhöhen der Temperatur des in den mit einem Katalysator versehenen Filter einströmenden Abgases durch Oxidation von HC und CO in dem Abgas, und eine Regenerationssteuerungsvorrichtung für das Ausführen eines Regenerationsvorgangs gegen die Verstopfung des mit einem Katalysator versehenen Filters. Die Regenerationssteuerungsvorrichtung ist so ausgestaltet, dass sie den Oxidationskatalysator während des Regenerationsvorgangs durch Erhöhen der Temperatur des Abgases des Motors mittels einer Kraftstoffeinspritzsteuerung des Motors aktiviert und von dem mit einem Katalysator versehenen Filter eingefangene Teilchen verbrennt und entfernt, wodurch der mit einem Katalysator versehene Filter während eines Motorbetriebszustands, in dem die Temperatur des Abgases des Motors niedriger ist als die Aktivierungstemperatur des Oxidationskatalysators, regeneriert wird. Während des Regenerationsvorgangs die Regenerationssteuerungsvorrichtung wird die Temperatur des Abgases des Motors durch eine Verzögerung des Vorgangs der Kraftstoffhaupteinspritzung erhöht, so dass der Oxidationskatalysator mittels der erhöhten Temperatur des Abgases des Motors vorgeheizt wird, und dass, wenn die Temperatur des in den mit einem Katalysator versehenen Filter einströmenden Abgases einen bestimmten ersten Zieltemperaturwert erreicht hat, die Temperatur des Abgases des Motors durch Durchführen einer Kraftstoffnacheinspritzung zusätzlich zu der verzögerten Kraftstoffhaupteinspritzung weiter erhöht wird.
Die US 2010 / 0 011 749 A1 offenbart eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, der als Grundsteuerung für ein Luft/Kraftstoffverhältnis eine Steuerung verwendet, die ein stöchiometrisches Luft/Kraftstoffverhältnis liefert. Die Vorrichtung weist einen Teilchenfilter, der in einer Abgasleitung des Verbrennungsmotors angeordnet ist und der Feinteilchenmaterial, das im Abgas enthalten ist, einfängt, einen stromaufwärtsseitigen Dreiwegekatalysator, der in der Abgasleitung stromaufwärts vom Teilchenfilter angeordnet ist, einen stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator, der in der Abgasleitung stromabwärts vom Teilchenfilter angeordnet ist und der eine Sauerstoff-Speicherkapazität aufweist, einen O2-Nebensensor, der in der Abgasleitung stromabwärts vorn stromabwärtsseitigen Dreiwegekatalysator angeordnet ist, um Informationen über ein Luft/Kraftstoffverhältnis des Abgases zu erhalten, und eine elektronische Steuereinheit, die als Rückkopplungsmittel dient, um eine Kraftstoff-Einspritzmenge auf der Basis der Ausgaben vom O2-Nebensensor zu korrigieren, auf. Der stromaufwärtsseitige Dreiwegekatalysator weist keine Sauerstoff-Speicherkapazität oder eine geringere Sauerstoff-Speicherkapazität als der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator auf. Der stromabwärtsseitige Dreiwegekatalysator ist ein Katalysator, dem eine Sauerstoffmenge zugeführt wird, die vom Rückkopplungsmittel eingestellt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Stickstoffoxid-Emissionen einer Verbrennungsmotoranordnung während einer Regeneration eines Partikelfilters, insbesondere eines Dieselrußpartikelfilters einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung der Verbrennungsmotoranordnung zu reduzieren.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, die wenigstens einen zwischen den Partikelfilter, insbesondere den Dieselrußpartikelfilter und den Drei-Wege-Katalysator geschalteten Kraftstoffverdampfer und wenigstens eine Regelelektronik zum Regeln eines Betriebs des Kraftstoffverdampfers während eines Partikelfilter-, insbesondere Dieselrußpartikelfilter-Regenerationsbetriebs der Vorrichtung in Abhängigkeit von Signalen der Lambdasonde aufweist, so dass ein Verbrennungsluftverhältnis λ unmittelbar stromauf des Drei-Wege-Katalysators λ = 1 beträgt.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand eines Dieselmotors bzw. einer Dieselrußpartikelfilter-Regeneration beschrieben, wobei das Beispiel nicht einschränkend sein soll. Die Erfindung soll auch Verbrennungsmotoren umfassen, bei denen Partikel entstehen, welche in einem Partikelfilter aufgefangen werden, wobei der Partikelfilter bei Bedarf regeneriert wird.
Erfindungsgemäß wird der Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff, während des Dieselrußpartikelfilter-Regenerationsbetriebs der Vorrichtung derart mittels des Kraftstoffverdampfers zwischen dem Dieselrußpartikelfilter und dem Drei-Wege-Katalysator verdampft, dass stromauf des Drei-Wege-Katalysators eine stöchiometrische Gaszusammensetzung (λ = 1) gegeben ist, so dass der Drei-Wege-Katalysator die Stickoxide (NOx) während des Dieselrußpartikelfilter-Regenerationsbetriebs der Vorrichtung effizient in dem Abgas reduzieren kann. Hierzu wird mittels der Lambdasonde das Verbrennungsluftverhältnis λ zwischen dem Dieselrußpartikelfilter und dem Drei-Wege-Katalysator kontinuierlich oder in diskreten Zeitschritten ermittelt. Die Regelelektronik regelt dann den Betrieb des Kraftstoffverdampfers während des Dieselrußpartikelfilter-Regenerationsbetriebs der Vorrichtung in Abhängigkeit der Signale der Lambdasonde, so dass das Verbrennungsluftverhältnis λ unmittelbar stromauf des Drei-Wege-Katalysators λ = 1 beträgt. Hierdurch können auch während eines Dieselrußpartikelfilter-Regenerationsbetriebs zukünftige Emissionsvorschriften zuverlässig eingehalten werden. Hierzu ist insbesondere keine oder lediglich eine sehr geringe Abgasrückführung während der Dieselrußpartikelfilter-Regeneration erforderlich. Zudem ermöglicht die Erfindung eine sehr geringe Rußbildung in dem im Dieselmotor verbrannten Gas während der Regeneration.
Der Kraftstoffverdampfer kann zum Verdampfen und/oder Zerstäuben des Kraftstoffs eingerichtet sein.
Die Begriffe „stromauf“ und „stromab“ sind im Rahmen der Anmeldung auf einen Abgasstrom durch die Vorrichtung bezogen.
Die Dieselrußpartikelfilter-Regeneration kann durch eine frühe Nacheinspritzung in wenigstens einen Brennraum des Dieselmotors eingeleitet werden, um die Abgastemperatur zu erhöhen. Kurz darauf kann eine späte Nacheinspritzung erfolgen, die in Abhängigkeit einer gemessenen Temperatur stromauf des Dieselrußpartikelfilters geregelt werden kann. Während der Dieselrußpartikelfilter-Regeneration ist es möglich, dass ungekühltes Hochdruck-Abgas, um ein Kochen eines Kühlers einer HochdruckAbgasrückführung zu vermeiden, und/oder ein Niederdruck-Abgas rückgeführt werden, solange eine geringe Rußbildung in dem vom Dieselmotor verbrannten Gas gewährleistet ist und maximale Temperaturgrenzwerte von Komponenten der Abgasrückführung nicht überschritten werden. Dabei haben die Erfinder gefunden, dass die rückgeführte Abgasmenge nicht ausreicht, um die Stickstoffoxidbildung in dem vom Dieselmotor verbrannten Gas zur Einhaltung von Emissionsvorschriften ausreichend zu reduzieren.
Die späte Nacheinspritzung führt zu unverbranntem Kohlenwasserstoff vor einem Dieseloxidationskatalysators, der dem Dieselrußpartikelfilter stromauf vorgeschaltet ist, was zu einer exothermen Reaktion und der gewünschten hohen Abgastemperatur (>580°C) vor dem Dieselrußpartikelfilter führt. Infolgedessen muss eine Harnstoffeinspritzung stromauf des Dieselrußpartikelfilters eingestellt werden. Das Abgasgemisch ist stromauf des Dieselrußpartikelfilters mager, beispielsweise bei λ = 1,3, eingestellt, da Sauerstoff für die Rußoxidation im Dieselrußpartikelfilter benötigt wird. Hinter dem Dieselrußpartikelfilter nähert sich das Verbrennungsluftverhältnis λ des Abgases nach erfolgter Oxidation der Rußmasse im Dieselrußpartikelfilter dem stöchiometrischen Wert λ = 1 an, ist aber immer noch mager (λ > 1). Hier setzt die Erfindung an. Um dieses Abgas nun mit dem Drei-Wege-Katalysator effektiv behandeln zu können, wird dem Abgas gemäß der Erfindung nun stromauf des Drei-Wege-Katalysators der Kraftstoff mit dem Kraftstoffverdampfer zugeführt, so dass das Verbrennungsluftverhältnis λ unmittelbar stromauf des Drei-Wege-Katalysators λ = 1 beträgt.
Die obige Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst, gemäß dem während eines Dieselrußpartikelfilter-Regenerationsbetriebs der Verbrennungsmotoranordnung ein Verbrennungsluftverhältnis λ unmittelbar stromauf des Drei-Wege-Katalysators derart geregelt wird, dass λ = 1 beträgt.
Mit dem Verfahren sind die oben mit Bezug auf die Vorrichtung genannten Vorteile entsprechend verbunden. Insbesondere kann die oben genannte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens verwendet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird während des Dieselrußpartikelfilter-Regenerationsbetriebs der Verbrennungsmotoranordnung das Verbrennungsluftverhältnis λ zwischen dem Dieselrußpartikelfilter und dem Drei-Wege-Katalysator gemessen. Hierzu kann wenigstens eine Lambdasonde verwendet werden, die zwischen den Dieselrußpartikelfilter und den Drei-Wege-Katalysator geschaltet ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird während des Dieselrußpartikelfilter-Regenerationsbetriebs der Verbrennungsmotoranordnung ein Kraftstoff in Abhängigkeit des gemessenen Verbrennungsluftverhältnisses λ zwischen dem Dieselrußpartikelfilter und dem Drei-Wege-Katalysator Kraftstoff verdampft. Hierzu kann wenigstens ein Kraftstoffverdampfer verwendet werden, der zwischen den Dieselrußpartikelfilter und den Drei-Wege-Katalysator geschaltet ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt während des Dieselrußpartikelfilter-Regenerationsbetriebs der Verbrennungsmotoranordnung zunächst eine frühe Nacheinspritzung von Kraftstoff in wenigstens einen Brennraum des Dieselmotors der Verbrennungsmotoranordnung und zeitlich versetzt danach eine späte Nacheinspritzung von Kraftstoff in den Brennraum, wobei eine Temperatur stromauf des Dieselrußpartikelfilters gemessen wird und eine Harnstoffeinspritzung stromauf des Dieselrußpartikelfilters gestoppt wird, wenn die gemessene Temperatur einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Durch die frühe Nacheinspritzung wird die Abgastemperatur des Dieselmotors erhöht. Die späte Nacheinspritzung führt zu unverbranntem Kohlenwasserstoff vor einem Dieseloxidationskatalysators der Vorrichtung, der dem Dieselrußpartikelfilter stromauf vorgeschaltet ist, was zu einer exothermen Reaktion und der gewünschten hohen Abgastemperatur (>580°C) vor dem Dieselrußpartikelfilter führt. Infolgedessen muss eine Harnstoffeinspritzung stromauf des Dieselrußpartikelfilters eingestellt werden, und zwar nachdem die stromauf des Dieselrußpartikelfilters gemessene Temperatur den vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Durch das Beenden der Harnstoffeinspritzung nimmt aber die Effizienz des Dieselrußpartikelfilters hinsichtlich der Reduzierung von Stickstoffoxiden ab. Dieses Problem wird mit der Erfindung behoben, da die Stickstoffoxide sehr effektiv mit dem Drei-Wege-Katalysator reduziert werden, wozu die eine stöchiometrische Gaszusammensetzung (λ = 1) stromauf des Der-Wege-Katalysators realisiert wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine Menge des während der späten Nacheinspritzung eingespritzten Kraftstoffs in Abhängigkeit der stromauf des Dieselrußpartikelfilters gemessenen Temperatur geregelt. Hierdurch kann insbesondere eine gewünschte Temperatur an dem Dieseloxidationskatalysator eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird während des Dieselrußpartikelfilter-Regenerationsbetriebs der Verbrennungsmotoranordnung eine Abgasrückführung durchgeführt. Dabei kann während der Dieselrußpartikelfilter-Regeneration beispielsweise ungekühltes Hochdruck-Abgas, um ein Kochen des Kühlers der Hochdruck-Abgasrückführung zu vermeiden, und/oder ein Niederdruck-Abgas rückgeführt werden, solange eine geringe Rußbildung in dem vom Dieselmotor verbrannten Gas gewährleistet ist und maximale Temperaturgrenzwerte von Komponenten der Abgasrückführung nicht überschritten werden. Die rückgeführte Abgasmenge reicht jedoch nicht aus, um die Stickstoffoxidbildung in dem vom Dieselmotor verbrannten Gas zur Einhaltung von Emissionsvorschriften ausreichend zu reduzieren, wie die Erfinder gefunden haben. Hier setzt die Erfindung an. Um dieses Abgas nun mit dem Drei-Wege-Katalysator effektiv behandeln zu können, wird dem Abgas gemäß der Erfindung nun stromauf des Drei-Wege-Katalysators der Kraftstoff mit dem Kraftstoffverdampfer zugeführt, so dass das Verbrennungsluftverhältnis λ unmittelbar stromauf des Drei-Wege-Katalysators λ = 1 beträgt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Vorrichtung; und
2 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemä-ßes Verfahren.

In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Nachbehandeln eines Abgases eines Dieselmotors 2. Die Vorrichtung 1 und der Dieselmotor 2 sind Bestandteile einer Verbrennungsmotoranordnung 3, die zudem eine Abgasnachbehandlungsanlage 4, eine Hochdruck-Abgasrückführungsvorrichtung 5, eine Niederdruck-Abgasrückführungsvorrichtung 6 und einen Abgasturbolader 7 mit einem Verdichter 8 und einer Turbine 9 aufweist. Nicht gezeigte Laufräder des Verdichters 8 und der Turbine 9 sind über eine Welle 10 drehfest miteinander verbunden.
Die Abgasnachbehandlungsanlage 4 weist einen Dieseloxidationskatalysator 11 auf, an dem wenigstens ein elektrisches Heizelement 12 zum Aufheizen des Dieseloxidationskatalysators 11 angeordnet ist. Der Dieseloxidationskatalysator 11 ist stromauf der Vorrichtung 1 angeordnet.
Stromab der Vorrichtung 1 ist eine Gegendruckklappe 13 der Abgasnachbehandlungsanlage 4 angeordnet, der wiederum ein SCR-Katalysator 14 der Abgasnachbehandlungsanlage 4 stromab nachgeschaltet ist. Zwischen der Gegendruckklappe 13 und dem SCR-Katalysator 14 ist eine Einspritzeinheit 15 zum Einspritzen einer wässrigen Harnstofflösung in die Abgasnachbehandlungsanlage 4 vorhanden, um den gewünschten Betrieb des SCR-Katalysators 14 sicherstellen zu können. Zudem ist stromauf der Vorrichtung 1 eine Einspritzeinheit 44 zum Einspritzen einer wässrigen Harnstofflösung vorhanden.
Der Dieselmotor 2 weist vier Zylinder 16, ein Schwungrad 17, einen Einlasskrümmer 18 und einen Abgaskrümmer 19 auf. Zudem weist der Dieselmotor 2 eine Kraftstoffpumpe 20 zum Einspritzen von Kraftstoff über ein Leitungssystem 21 in die Zylinder 16 auf.
Im Normalbetrieb des Dieselmotors 2 wird den Zylindern 16 über die Kraftstoffpumpe 20 und das Leitungssystem 21 Kraftstoff zugeführt. Zudem wird durch einen Luftfilter 22 Ladeluft mittels des Verdichters 8 angesaugt. Der Luftfilter 22 weist einen Luftmassensensor 23 auf. Von dem Luftfilter 22 führt ein Strömungskanal 24 zu dem Verdichter 8. Die durch den Verdichter 8 verdichtete Ladeluft bzw. das im Falle einer Abgasrückführung mit der Ladeluft vermischte Abgas wird durch einen Strömungskanal 25 und einem daran angeordneten Ladeluftkühler 26 zu dem Einlasskrümmer 18 geleitet. Die Strömungsrichtung der angesaugten Frischluft ist mit Pfeilen mit der Bezugsziffer 43 gekennzeichnet.
Von dem Abgaskrümmer 19 zweigt ein Hochdruck-Abgasrückführungsströmungskanal 27 ab, der stromaufwärts des Einlasskrümmers 18 in den Strömungskanal 25 mündet. Der Hochdruck-Abgasrückführungsströmungskanal 27 weist ein Hochdruck-Abgasrückführungsventil 28, einen dem Hochdruck-Abgasrückführungsventil 28 nachgeschalteten Kühler 29, eine Bypass-Leitung 30 und eine Weiche 31, mit der das Abgas entweder durch den Kühler 29 oder durch die Bypass-Leitung 30 führbar ist, auf.
Das den Dieselmotor 2 verlassende Abgas wird über den Abgaskrümmer 19 zur Turbine 9 geleitet, wodurch der Verdichter 8 angetrieben wird. Anschließend wird das Abgas durch den Strömungskanal 32 zu den bereits genannten Abgasnachbehandlungskomponenten 11 und 14 bzw. zu der Vorrichtung 1 geleitet. Nach dem Passieren der Abgasnachbehandlungsanlage 4 wird das gereinigte Abgas zum Auslass 32 geleitet. Die Strömungsrichtung des Abgases ist mit der Bezugsziffer 33 gekennzeichnet.
Stromaufwärts der Gegendruckklappe 13 zweigt ein Niederdruck-Abgasrückführungsströmungskanal 34 ab. Dieser Niederdruck-Abgasrückführungsströmungskanal 34 weist einen Kühler 35 und ein dem Kühler 35 stromab nachgeschaltetes Ventil 36 auf. Der Niederdruck-Abgasrückführungskanal 34 ist ausgangsseitig mit dem Verdichter 8 verbunden.
Die Vorrichtung 1 weist einen mit einer nicht gezeigten SCR-Beschichtung versehenen Dieselrußpartikelfilter 37, einen dem Dieselrußpartikelfilter 37 bezüglich eines Abgasstroms durch die Vorrichtung 1 stromabwärts nachgeschalteten Drei-Wege-Katalysator 38, eine zwischen den Dieselrußpartikelfilter 37 und den Drei-Wege-Katalysator 38 geschaltete Lambdasonde 39, einen zwischen den Dieselrußpartikelfilter 37 und den Drei-Wege-Katalysator 38 geschalteten Kraftstoffverdampfer 40 und eine Regelelektronik 41 zum Regeln eines Betriebs des Kraftstoffverdampfers 40 während eines Dieselrußpartikelfilter-Regenerationsbetriebs der Vorrichtung 1 in Abhängigkeit von Signalen der Lambdasonde 39, so dass ein Verbrennungsluftverhältnis λ unmittelbar stromauf des Drei-Wege-Katalysators 38 λ = 1 beträgt.
Während eines Dieselrußpartikelfilter-Regenerationsbetriebs kann die Gegendruckabgasklappe 13 zumindest teilweise geschlossen werden, während das Ventil 36 der Niederdruckabgasrückführung und das Hochdruck-Abgasrückführungsventil 28 der Hochdruckabgasrückführung geöffnet sein können.
Zur Durchführung eines Dieselrußpartikelfilter-Regenerationsbetriebs kann vorab eine Beladung des Dieselrußpartikelfilters 37 modellbasiert ermittelt werden. Zudem kann stromaufwärts des Dieselrußpartikelfilters 37 eine Gastemperatur mittels eines Temperatursensors 42 gemessen werden, um die Funktion des Dieselrußpartikelfilters 37 sicherzustellen.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemä-ßes Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungsmotoranordnung, die wenigstens einen Dieselmotor und wenigstens eine Vorrichtung zum Nachbehandeln eines Abgases des Dieselmotors aufweist, wobei die Vorrichtung wenigstens einen Dieselrußpartikelfilter, wenigstens einen dem Dieselrußpartikelfilter bezüglich eines Abgasstroms durch die Vorrichtung stromabwärts nachgeschalteten Drei-Wege-Katalysator und wenigstens eine zwischen den Dieselrußpartikelfilter und den Drei-Wege-Katalysator geschaltete Lambdasonde aufweist. Die Verbrennungsmotoranordnung kann beispielsweise entsprechend dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ausgebildet sein.
In Verfahrensschritt 100 wird der Dieselrußpartikelfilter-Regenerationsbetrieb der Verbrennungsmotoranordnung gestartet. Hierzu kann vorab eine Beladung des Dieselrußpartikelfilters modellbasiert ermittelt werden.
In Verfahrensschritt 101 erfolgt während des Dieselrußpartikelfilter-Regenerationsbetriebs der Verbrennungsmotoranordnung eine frühe Nacheinspritzung von Kraftstoff in wenigstens einen Brennraum des Dieselmotors. Die frühe Nacheinspritzung kann beispielsweise bei einem Kurbelwinkel in einem Bereich von etwa 20° bis 40° nach dem oberen Totpunkt erfolgen. Dabei kann eine fest vorgegebene Menge Kraftstoff eingespritzt werden.
In Verfahrensschritt 102 erfolgt während des Dieselrußpartikelfilter-Regenerationsbetriebs der Verbrennungsmotoranordnung eine späte Nacheinspritzung von Kraftstoff in den wenigstens einen Brennraum des Dieselmotors. Die späte Nacheinspritzung kann beispielsweise bei einem Kurbelwinkel von etwa 180° nach dem oberen Totpunkt erfolgen. Dabei kann eine fest vorgegebene Menge Kraftstoff eingespritzt werden. Hierbei wird eine Temperatur stromauf des Dieselrußpartikelfilters gemessen. Eine Menge des während der späten Nacheinspritzung eingespritzten Kraftstoffs wird in Abhängigkeit einer stromauf des Dieselrußpartikelfilters gemessenen Temperatur geregelt.
In Verfahrensschritt 103 wird eine Harnstoffeinspritzung stromauf des Dieselrußpartikelfilters gestoppt, wenn die gemessene Temperatur einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Der vorgegebene maximale Grenzwert kann beispielsweise etwa 600°C betragen. Durch das Stoppen der Harnstoffeinspritzung wird jedoch die Effizient des Dieselrußpartikelfilters stark herabgesetzt, so dass dieser relativ wenig noch Stickstoffoxid umwandelt.
In Verfahrensschritt 104 wird während eines Dieselrußpartikelfilter-Regenerationsbetriebs der Verbrennungsmotoranordnung ein Verbrennungsluftverhältnis λ unmittelbar stromauf des Drei-Wege-Katalysators derart geregelt wird, dass λ = 1 beträgt. Hierzu wird während des Dieselrußpartikelfilter-Regenerationsbetriebs der Verbrennungsmotoranordnung das Verbrennungsluftverhältnis λ zwischen dem Dieselrußpartikelfilter und dem Drei-Wege-Katalysator gemessen und der Kraftstoff in Abhängigkeit des gemessenen Verbrennungsluftverhältnisses λ zwischen dem Dieselrußpartikelfilter und dem Drei-Wege-Katalysator Kraftstoff verdampft.
Während des Dieselrußpartikelfilter-Regenerationsbetriebs der Verbrennungsmotoranordnung kann eine Abgasrückführung durchgeführt werden.
Bezugszeichenliste:

1: Vorrichtung
2: Dieselmotor
3: Verbrennungsmotoranordnung
4: Abgasnachbehandlungsanlage
5: Hochdruck-Abgasrückführvorrichtung
6: Niederdruck-Abgasrückführvorrichtung
7: Abgasturbolader
8: Verdichter
9: Turbine
10: Welle
11: Dieseloxidationskatalysator
12: Heizelement
13: Gegendruckklappe
14: SCR-Katalysator
15: Einspritzeinheit
16: Zylinder
17: Schwungrad
18: Einlasskrümmer
19: Abgaskrümmer
20: Kraftstoffpumpe
21: Leitungssystem
22: Luftfilter
23: Luftmassensensor
24: Strömungskanal
25: Strömungskanal
26: Kühler
27: Hochdruck-Abgasrückführungsströmungskanal
28: Hochdruck-Abgasrückführungsventil
29: Kühler
30: Bypass-Leitung
31: Weiche
32: Strömungskanal
33: Strömungsrichtung
34: Niederdruck-Abgasrückführungsströmungskanal
35: Kühler
36: Ventil
37: Dieselrußpartikelfilter
38: Drei-Wege-Katalysator
39: Lambdasonde
40: Kraftstoffverdampfer
41: Regelelektronik
42: Temperatursensor
43: Strömungsrichtung
44: Einspritzeinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017100892 A1 [0004]
DE 102019203061 A1 [0005]
DE 202014009592 U1 [0006]
US 6622480 B2 [0007]

Claims

Vorrichtung (1) zum Nachbehandeln eines Abgases eines Verbrennungsmotors, aufweisend wenigstens einen Partikelfilter, insbesondere Dieselrußpartikelfilter (37), wenigstens einen dem Partikelfilter bezüglich eines Abgasstroms durch die Vorrichtung (1) stromabwärts nachgeschalteten Drei-Wege-Katalysator (38) und wenigstens eine zwischen den Partikelfilter und den Drei-Wege-Katalysator (38) geschaltete Lambdasonde (39), gekennzeichnet durch wenigstens einen zwischen den Partikelfilter und den Drei-Wege-Katalysator (38) geschalteten Kraftstoffverdampfer (40) und wenigstens eine Regelelektronik (41) zum Regeln eines Betriebs des Kraftstoffverdampfers (40) während eines Partikelfilter-Regenerationsbetriebs der Vorrichtung (1) in Abhängigkeit von Signalen der Lambdasonde (39), so dass ein Verbrennungsluftverhältnis λ unmittelbar stromauf des Drei-Wege-Katalysators (38) λ = 1 beträgt.
Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungsmotoranordnung (3), die wenigstens einen Verbrennungsmotor und wenigstens eine Vorrichtung (1) zum Nachbehandeln eines Abgases des Verbrennungsmotors aufweist, wobei die Vorrichtung (1) wenigstens einen Partikelfilter, insbesondere Dieselrußpartikelfilter (37), wenigstens einen dem Partikelfilter bezüglich eines Abgasstroms durch die Vorrichtung (1) stromabwärts nachgeschalteten Drei-Wege-Katalysator (38) und wenigstens eine zwischen den Partikelfilter und den Drei-Wege-Katalysator (38) geschaltete Lambdasonde (39) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Partikelfilter-Regenerationsbetriebs der Verbrennungsmotoranordnung (3) ein Verbrennungsluftverhältnis λ unmittelbar stromauf des Drei-Wege-Katalysators (38) derart geregelt wird, dass λ = 1 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Partikelfilter-Regenerationsbetriebs der Verbrennungsmotoranordnung (3) das Verbrennungsluftverhältnis λ zwischen dem Partikelfilter und dem Drei-Wege-Katalysator (38) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass während des Partikelfilter-Regenerationsbetriebs der Verbrennungsmotoranordnung (3) ein Kraftstoff in Abhängigkeit des gemessenen Verbrennungsluftverhältnisses λ zwischen dem Partikelfilter (37) und dem Drei-Wege-Katalysator (38) verdampft wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass während des Partikelfilter-Regenerationsbetriebs der Verbrennungsmotoranordnung (3) zunächst eine frühe Nacheinspritzung von Kraftstoff in wenigstens einen Brennraum des Verbrennungsmotors und zeitlich versetzt danach eine späte Nacheinspritzung von Kraftstoff in den Brennraum erfolgt, wobei eine Temperatur stromauf des Partikelfilters gemessen wird und eine Harnstoffeinspritzung stromauf des Partikelfilters gestoppt wird, wenn die gemessene Temperatur einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Menge des während der späten Nacheinspritzung eingespritzten Kraftstoffs in Abhängigkeit der stromauf des Partikelfilters gemessenen Temperatur geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass während des Partikelfilter-Regenerationsbetriebs der Verbrennungsmotoranordnung (3) eine Abgasrückführung durchgeführt wird.