DE102023107820B3

DE102023107820B3 - Abgasnachbehandlungssystem und Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102023107820B3
Application number: DE102023107820.8
Authority: DE
Inventors: Marc-Andre Golkowski; Stephan Schemann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Filing date: 2023-03-28
Publication date: 2024-06-13
Anticipated expiration: 2043-03-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor (10). Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst eine Abgasanlage (20) mit einem Abgaskanal (22), in welchem in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors (10) durch den Abgaskanal (22) eine Abgasnachbehandlungskomponente (24) mit Sauerstoffspeicherfähigkeit, insbesondere ein Drei-Wege-Katalysator, und stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente (24) mit Sauerstoffspeicherfähigkeit ein Stickoxid-Speicherkatalysator (30) angeordnet ist. Es ist vorgesehen, dass ein Bypass (34) an einer Verzweigung (32) stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente (24) mit Sauerstoffspeicherfähigkeit aus dem Abgaskanal (22) abzweigt und an einer Einmündung (36) stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente (24) mit Sauerstoffspeicherfähigkeit und stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators (30) wieder in den Abgaskanal (22) einmündet.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors (10) mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines solchen fremdgezündeten Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Im Hinblick auf eine weitere Verschärfung der Abgasnormen, beispielsweise mit Einführung der EU7-Norm, ist es erforderlich, insbesondere die Kaltstartemissionen, welche einen Großteil der gesamten Emissionen ausmachen, signifikant zu verringern. Im Kaltstartbetrieb, also unmittelbar nach Start des Verbrennungsmotors sind die Abgasnachbehandlungskomponenten in der Regel noch nicht hinreichend aufgewärmt, um eine Konvertierung der bei der Verbrennung des Kraftstoffs entstehenden Rohemissionen zu ermöglichen. Dies führt insbesondere zu in der Kaltstartphase erhöhten Abgasemissionen, die selbst bei einer vollständigen Konvertierung der Rohemissionen nach der Kaltstartphase dazu führen, dass die Grenzwerte nicht mehr eingehalten werden. Um dies zu vermeiden, wären bei aus dem Stand der Technik bekannten Verbrennungsmotoren mit Abgasnachbehandlungssystemen gegebenenfalls Kundenrestriktionen wie ein Abfahrverbot oder eine Einschränkung der Leistung unmittelbar nach dem Start des Verbrennungsmotors notwendig, um eine Einhaltung der EU7-Emissionsgrenzwerte unter allen geforderten Randbedingungen sicherzustellen.
Zur Konvertierung von Schadstoffen in der Abgasanlage eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors sind Abgasnachbehandlungssysteme bekannt, welche einen motornahen Katalysator mit einer Sauerstoffspeicherfähigkeit, insbesondere einen Drei-Wege-Katalysator oder einen Vier-Wege-Katalysator, und einen in der Abgasanlage stromabwärts des Katalysators mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit angeordneten Stickoxid-Speicherkatalysator aufweisen. Ein Drei-Wege-Katalysator ist ein Fahrzeugkatalysator für die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren, bei der Kohlenstoffmonoxid (CO), Stickoxide (NOx) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) zu Kohlenstoffdioxid (CO₂), molekularem Stickstoff (N₂) und Wasserdampf (H₂O) umgewandelt werden. Aus der gleichzeitigen Umwandlung dieser drei Luftschadstoffe leitet sich der Name des Katalysators ab. Ein Vier-Wege-Katalysator umfasst zusätzlich noch eine Funktion zur Filterung von Partikeln im Abgasstrom des Verbrennungsmotors. Aus dem Stand der Technik sind Vier-Wege-Katalysatoren bekannt, welche eine Drei-Wege-katalytische Beschichtung auf einem Partikelfilter aufweisen. Stickoxid-Speicherkatalysatoren speichern Stickoxide aus dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors ein und können diese bei Vorliegen eines Reduktionsmittels als molekularen Stickstoff wieder freisetzen.
Bei einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors können die Stickoxide nicht durch den Drei-Wege-Katalysator oder den Vier-Wege-Katalysator konvertiert werden und werden in dem Stickoxid-Speicherkatalysator eingespeichert. Um den Stickoxid-Speicherkatalysator zu regenerieren, wird anschließend ein unterstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis für den Verbrennungsmotor gewählt, um die eingespeicherten Stickoxide mit den unverbrannten Kohlenwasserstoffen und/oder Kohlenstoffmonoxid aus dem unterstöchiometrischen Abgas zu konvertieren. Der Übergang von einem überstöchiometrischen Betrieb des Verbrennungsmotors zu einem unterstöchiometrischen Betrieb führt bei dem beschriebenen Aufbau des Abgasnachbehandlungssystems zu erhöhten Stickoxidemissionen.
Aus der DE 10 2016 205 182 A1 ist ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines selbstzündenden Verbrennungsmotors, welcher in einem Normalbetrieb mit einem überstöchiometrischen (mageren) Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird, bekannt. Dabei wird das Abgas in einem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors durch einen Oxidationskatalysator oder einen katalytisch beschichteten Partikelfilter sowie durch einen stromab des Oxidationskatalysators oder des katalytisch beschichteten Partikelfilters angeordneten NOx-Speicherkatalysators geleitet, wobei die im Abgas enthaltenen NOx-Emissionen als Nitrate auf dem NOx-Speicherkatalysator eingelagert werden. Es ist vorgesehen, dass zur Regeneration des NOx-Speicherkatalysators das Abgas des Verbrennungsmotors durch einen Bypass an dem NOx-Speicherkatalysator vorbeigeleitet wird, und der NOx-Speicherkatalysator mit einem Reduktionsmittel aus einem Brenner oder Reformator beaufschlagt wird.
Aus der DE 10 2010 014 468 A1 sind ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung von im Wesentlichen mager betriebenen Verbrennungsmotoren sowie ein entsprechendes vorteilhaftes Abgasnachbehandlungssystem bekannt. Insbesondere offenbart die DE 10 2010 014 468 A1 ein Verfahren zur Verminderung von Lachgas (N2O) im Gesamtabgas eines entsprechenden Verbrennungssystems mit einem NOx-Speicherkatalysator als Abgasreinigungselement. Ziel des Verfahrens ist es, den abstromseitig zum NOx-Speicherkatalysator angeordneten Lachgas-Verminderungskatalysator unter Lambda < 1 Bedingungen zu betreiben, wenn das vom NOx-Speicherkatalysator gebildete Lachgas den Lachgas-Verminderungskatalysator erreicht.
Die DE 10 2016 119 211 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors. Dabei sind in einem Abgaskanal der Vorrichtung in Strömungsrichtung des Abgases zunächst ein Drei-Wege-Katalysator und stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators ein Partikelfilter vorgesehen. Die Vorrichtung weist einen Bypass auf, mit dem Abgas an dem Drei-Wege-Katalysator vorbeigeleitet und dem Partikelfilter zugeführt werden kann.
Aus der DE 10 2009 051 742 A1 sind ein Verfahren und ein System zum Steuern eines Abgaszufuhrstroms von einem Verbrennungsmotor, der überstöchiometrisch betreibbar ist, bekannt. Das Verfahren umfasst Schritte zum Umleiten von Abgas während einer NOx-Adsorberregeneration um einen Dreiwege-Katalysator herum, wodurch in dem NOx-Adsorber verfügbare Reduktionsmittel zum Reagieren mit dem adsorbierten NOx vermehrt werden. Das System umfasst die entsprechenden Leitungen und Steuerelemente, um ein solches Verfahren durchführen zu können.
Die JP 2008 - 45 445 A beschreibt eine Abgasemissionssteuerungsvorrichtung, bei der der NOx-Speicher-Reduktionskatalysator in der Mitte eines Abgasrohrs installiert ist und einer Eingangsseite des NOx-Speicher-Reduktionskatalysators durch ein Kraftstoffzugabeventil Kraftstoff zugeführt wird, um NOx zu reduzieren und umzuwandeln. Die Vorrichtung umfasst ein Bypassrohr, das Abgas aus einem Abgasrohr stromaufwärts einer Kraftstoffzugabeposition des Kraftstoffzugabeventils entnimmt und dasselbe in einen Abschnitt unmittelbar vor der Kraftstoffzugabeposition einleitet. Die Vorrichtung umfasst ein Sauerstoffspeichermaterial, das in der Mitte des Bypassrohrs installiert ist und Sauerstoff aus dem Abgas speichert, wenn das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis mager ist, und den gespeicherten Sauerstoff abgibt, wenn das Abgas-Luft-Kraftstoff-Verhältnis fett ist. Die Vorrichtung umfasst ferner ein Kraftstoffzugabeventil, das Kraftstoff zu einer Eingangsseite des Sauerstoffspeichermaterials hinzufügt; und ein Kanalumschaltventil, das den Durchfluss des Abgases zum Bypassrohr angemessen umschaltet.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Abgasemissionen, insbesondere die Stickoxidemissionen, in einem Abgasnachbehandlungssystem mit einer Abgasnachbehandlungskomponente mit einer Sauerstoffspeicherfähigkeit und einem stromabwärts dieser Abgasnachbehandlungskomponente angeordneten Stickoxid-Speicherkatalysator zu verringern und die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors mit einem in den vorhergehenden Abschnitten beschriebenen Abgasnachbehandlungssystem gelöst. Das Verfahren zur Abgasnachbehandlung umfasst folgende Schritte:

- Betreiben des Verbrennungsmotors mit einem stöchiometrischen oder überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ_E >= 1),
- Einlagern von Stickoxid-(NOx-)-Emissionen in dem Stickoxid-Speicherkatalysator in Form von Nitraten,
- Öffnen des Bypasses,
- Betreiben des Verbrennungsmotors mit einen unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ_E < 1), wobei ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors durch den Bypass an der Abgasnachbehandlungskomponente mit Sauerstoffspeicherfähigkeit vorbeigeleitet und der Stickoxid-Speicherkatalysator regeneriert wird.

Durch das vorgeschlagene Verfahren ist eine Regeneration der Stickoxid-Speicherkatalysatoren möglich, ohne dass es während der Regeneration zu einem Stickoxid-Schlupf kommt und somit Stickoxid-Emissionen an die Umgebung freigesetzt werden. Dies ist besonders vorteilhaft bei einem Verbrennungsmotor, der im Magerbetrieb, also mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ_E > 1 betrieben wird, da bei einem überstöchiometrischen Verbrennungsverfahren verfahrensbedingt mehr Stickoxid-Emissionen auftreten und diese im Magerbetrieb nicht durch einen Drei-Wege-Katalysator oder Vier-Wege-Katalysator reduziert werden können.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Verbrennungsluftverhältnis in der Abgasanlage stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit und stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators ermittelt wird. Dadurch ist eine einfache und effiziente Steuerung des Verfahrens, insbesondere eine einfache Steuerung des Stellelements zur Steuerung des Abgasstroms durch den Bypass möglich.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Bypass geschlossen wird, wenn ein Sauerstoffspeicher der Abgasnachbehandlungskomponente mit Sauerstoffspeicherfähigkeit vollständig entleert ist. Dadurch kann der Zeitraum, in welchem der Abgasstrom an der Abgasnachbehandlungskomponente mit Sauerstoffspeicherfähigkeit vorbeigeleitet wird und eine Konvertierung der Schadstoffe durch diese Abgasnachbehandlungskomponente unterbunden wird, minimiert werden. Auf dieser Art und Weise können die Endrohremissionen des Verbrennungsmotors, insbesondere die Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenstoffmonoxid, minimiert werden.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor während der Regeneration der Stickoxid-Speicherkatalysatoren mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ_E von 0,85 bis 0,95, vorzugsweise einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ_E von 0,9 bis 0,93, betrieben wird. Ein unterstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis ist zum Abbau der Nitrate auf dem Stickoxid-Speicherkatalysator notwendig. Bei diesem Verbrennungsluftverhältnis kann das Entstehen von größeren Mengen an Ruß verhindert werden, was zu einer starken Beladung eines Partikelfilters oder entsprechenden Endrohremissionen führen würde.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein Beginn und/oder ein Ende der Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators mittels eines in einem Motorsteuergerät des Verbrennungsmotors abgelegten Bilanzierungsmodells zur Ermittlung des Beladungszustands des Stickoxid-Speicherkatalysators eingeleitet wird. Durch ein entsprechendes Bilanzierungsmodell kann die Regeneration eingeleitet werden, bevor es aufgrund von vollständig geladenen Stickoxid-Speicherkatalysatoren zu einem Stickoxid-Schlupf am Stickoxid-Speicherkatalysator kommt. Ferner kann die Regeneration beendet werden, bevor es zu einem Fettdurchbruch durch den zweiten Stickoxid-Speicherkatalysator kommt. Somit können die emittierten Emissionen nochmals reduziert werden. Ferner ermöglicht ein solches Bilanzierungsmodell eine Überwachung des Stickoxid-Speicherkatalysators im Rahmen eines On-Board-Monitorings, wie es in zukünftigen Abgasnormen gefordert ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor nach einem Ende der Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ_E = 1) oder einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ_E > 1) betrieben wird. Dadurch kann ein Fettdurchbruch durch den Stickoxid-Speicherkatalysator und ein damit verbundener Anstieg der Endrohremissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenstoffmonoxid verhindert werden.
Die Aufgabe wird durch ein Abgasnachbehandlungssystem für einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor gelöst. Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst eine Abgasanlage mit einem Abgaskanal, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors durch den Abgaskanal eine Abgasnachbehandlungskomponente mit Sauerstoffspeicherfähigkeit und stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente mit Sauerstoffspeicherfähigkeit ein Stickoxid-Speicherkatalysator angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Bypass an einer Verzweigung stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente mit Sauerstoffspeicherfähigkeit aus dem Abgaskanal abzweigt und an einer Einmündung stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente mit Sauerstoffspeicherfähigkeit und stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators wieder in den Abgaskanal einmündet, wobei das Abgasnachbehandlungssystem ein Motorsteuergerät umfasst, welches dazu eingerichtet ist, ein in den vorhergehenden Abschnitten beschriebenes Verfahren auszuführen..
Das erfindungsgemäße Abgasnachbehandlungssystem ermöglicht eine Regeneration eines Stickoxid-Speicherkatalysators, welcher in einer Abgasanlage stromabwärts einer Abgasnachbehandlungskomponente mit Sauerstoffspeicherfähigkeit angeordnet ist, ohne dass es während der Regeneration zu einem Stickoxid-Schlupf kommt und somit die Stickoxid-Emissionen an die Umgebung freigesetzt werden. Dies ist besonders vorteilhaft bei einem Verbrennungsmotor, der im Magerbetrieb, also mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ_E > 1 betrieben wird, da bei einem überstöchiometrischen Verbrennungsverfahren verfahrensbedingt mehr Stickoxid-Emissionen auftreten und diese im Magerbetrieb nicht durch einen Drei-Wege-Katalysator oder Vier-Wege-Katalysator reduziert werden können. Das Verfahren kann aber auch bei einem stöchiometrisch betriebenen Verbrennungsmotor genutzt werden, bei welchem der Stickoxid-Speicherkatalysator lediglich zur Absicherung eines Drei-Wege-Katalysators oder Vier-Wege-Katalysators dient und unkonvertierte Stickoxidemissionen einspeichert.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass an der Verzweigung ein Stellelement angeordnet ist, mit welchem ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors wahlweise durch den Abgaskanal oder durch den Bypass geleitet werden kann. Es sind also mindestens zwei Schaltstellungen für das Stellelement vorgesehen. Zusätzlich können ein oder mehrere weitere Schaltstellungen vorgesehen sein, in welchen der Abgasstrom anteilig durch den Abgaskanal und durch den Bypass geleitet wird. Durch ein Stellelement ist eine besonders einfache Steuerung des Abgasstroms durch den Abgaskanal oder durch den Bypass möglich. Somit kann auf einfache und kostengünstige Art zwischen einem Abgasstrom durch den Abgaskanal und somit durch die Abgasnachbehandlungskomponente mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit und einem Abgasstrom durch den Bypass umgeschaltet werden.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das Stellelement als eine Abgasklappe oder ein Abgasschieber ausgeführt ist. Eine Abgasklappe oder ein Abgasschieber sind bekannte Stellelemente, um einen Abgasstrom eines Verbrennungsmotors, insbesondere im Rahmen einer Abgasrückführung, zu steuern. Eine solche Abgasklappe oder ein Abgasschieber kann daher auch genutzt werden, um den Abgasstrom durch den Bypass oder durch den Abgaskanal zu steuern.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass das Stellelement mittels eines elektrischen Stellmotors, pneumatisch oder hydraulisch zwischen den mindestens zwei Schaltstellungen verstellbar ist. Ein elektrischer Stellmotor bietet eine einfache Möglichkeit, um das Stellelement aus einer ersten Schaltstellung in eine zweite Schaltstellung zu verstellen. Alternativ ist auch eine Verstellung durch ein pneumatisches Schaltelement oder ein hydraulisches Schaltelement denkbar.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Abgaskanal stromaufwärts der Verzweigung eine erste Lambdasonde und stromabwärts der Einmündung und stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators eine zweite Lambdasonde angeordnet ist. Dadurch ist eine einfache und zuverlässige Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses des Verbrennungsmotors sowohl in einem Normalbetrieb, in welchem der Abgasstrom durch die Abgasnachbehandlungskomponente mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit geleitet wird, als auch in einem Bypassbetrieb, in welchem der Abgasstrom durch den Bypass geleitet wird, möglich. Somit kann auf weitere Lambdasonden verzichtet werden.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die erste Lambdasonde als Breitbandsonde und die zweite Lambdasonde als Sprungsonde ausgeführt ist. Durch eine Breitband-Lambdasonde ist eine besonders genaue Steuerung des Verbrennungsluftverhältnisses möglich, da neben einer qualitativen Aussage über das Verbrennungsluftverhältnis auch eine quantitative Aussage zum eingestellten Verbrennungsluftverhältnis möglich ist. Eine Sprungsonde erkennt auf einfache und kostengünstig Art einen Umschlag von einem unterstöchiometrischen zu einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis oder von einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis zu einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis, wodurch ein Umschalten des Steuerelements besonders einfach und kostengünstig ermöglicht wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass in dem Abgaskanal stromaufwärts der Verzweigung eine Turbine eines Abgasturboladers angeordnet ist. Ein Abgasturbolader ermöglicht in der Regel eine Steigerung der Leistung und/oder eine Steigerung des thermischen Wirkungsgrades eines Verbrennungsmotors. Dabei führt die Turbine des Abgasturboladers zu einer Verwirbelung des Abgasstroms sowie einer thermischen Trägheit im Abgasnachbehandlungssystem, welche bei einem Beladungsmodell des Stickoxid-Speicherkatalysators entsprechend berücksichtigt wird.
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 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems für einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor in einem ersten Betriebszustand,
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems für einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor in einem zweiten Betriebszustand, und
3 Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors mit einem solchen Abgasnachbehandlungssystem.

1 zeigt einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor 10 mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem. Der fremdgezündete Verbrennungsmotor 10 ist vorzugsweise als direkteinspritzender Ottomotor ausgeführt. Der fremdgezündete Verbrennungsmotor 10 weist mehrere Brennräume 12 auf. An den Brennräumen 12 ist jeweils ein Kraftstoffinjektor 14 zur Einspritzung eines Kraftstoffes in den jeweiligen Brennraum 12 angeordnet. Ferner ist an jedem Brennraum 12 eine Zündkerze 16 zur Entzündung eines zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemischs in dem jeweiligen Brennraum 12 angeordnet. Die Zündkerze 16 kann als Hakenzündkerze oder als Vorkammerzündkerze ausgeführt sein. Der Brennraum 12 wird durch einen in 1 nicht dargestellten Kolben begrenzt, welcher verschiebbar in einem Zylinder des Verbrennungsmotors 10 angeordnet ist. Der Kolben ist über ein Pleuel mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 10 verbunden, wobei das Pleuel eine oszillierende Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle überträgt. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Einlass mit einem in 1 nicht dargestellten Luftversorgungssystem und mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 20 verbunden. An den Brennräumen 12 sind Einlassventile und Auslassventile angeordnet, mit welchen eine fluidische Verbindung vom Luftversorgungssystem zu den Brennräumen 12 oder von den Brennräumen 12 zur Abgasanlage 20 geöffnet oder verschlossen werden kann.
Die Abgasanlage 20 umfasst einen Abgaskanal 22, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgasstromes 58 des Verbrennungsmotors 10 durch die Abgasanlage 20 eine Turbine 40 eines Abgasturboladers 38, stromabwärts der Turbine eine erste Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit einer Sauerstoffspeicherfähigkeit, insbesondere ein Drei-Wege-Katalysator 26 oder ein Vier-Wege-Katalysator 28, und stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit ein Stickoxid-Speicherkatalysator 30 angeordnet ist. Die Abgasanlage 20 umfasst einen Bypass 34, welcher an einer Verzweigung 32 stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit Sauerstoffspeicherfähigkeit aus dem Abgaskanal 22 abzweigt und an einer Einmündung 36 stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit Sauerstoffspeicherfähigkeit und stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators 30 wieder in den Abgaskanal 22 einmündet. An der Verzweigung 32 ist ein Stellelement 50, insbesondere eine Abgasklappe 52 oder ein Abgasschieber 54, angeordnet, mit welchen der Abgasstrom 58 des Verbrennungsmotors 10 wahlweise durch den Abgaskanal 22 oder durch den Bypass 34 geleitet werden kann. Das Stellelement 50 ist durch einen elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch betätigbaren Stellmotor 56 zwischen mindestens zwei Schaltstellungen verstellbar.
Stromabwärts des Auslasses 18 des Verbrennungsmotors 10 und stromaufwärts der Verzweigung 32 ist in dem Abgaskanal 22 eine erste Lambdasonde 42, vorzugsweise eine Breitband-Lambdasonde 46, angeordnet. Stromabwärts der Einmündung 36 und stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators 30 ist im Abgaskanal 22 eine zweite Lambdasonde 44, vorzugsweise eine Sprungsonde 48, angeordnet.
Dem Verbrennungsmotor 10 ist ein Motorsteuergerät 60 mit einer Speichereinheit 62 und einer Recheneinheit 64 zugeordnet. In der Speichereinheit 62 ist ein Computerprogrammcode 66 abgelegt, welcher bei Ausführung des Computerprogrammcodes 66 durch die Recheneinheit 64 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors 10 ausführt. Zudem werden Daten an eine On-Board-Diagnoseeinheit 68 übermittelt. Alternativ kann die On-Board-Diagnoseeinheit 68 auch in dem Motorsteuergerät 60 integriert sein.
In 1 ist ein erster Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 dargestellt, bei welchem der Verbrennungsmotor 10 mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ_E = 1 oder einen überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ_E > 1 betrieben wird. Dabei wird der Abgasstrom durch die Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit, insbesondere einen Drei-Wege-Katalysator 26 oder einen Vier-Wege-Katalysator 28, und anschließend durch den Stickoxid-Speicherkatalysator 30 geleitet. In diesem Betriebszustand werden die nach der Konvertierung durch die Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit im Abgasstrom 58 des Verbrennungsmotors 10 verbleibenden Stickoxide als Nitride in den Stickoxid-Speicherkatalysator 30 eingeleitet. Der Bypass 34 ist in diesem Betriebszustand durch das Steuerelement 50, insbesondere durch die Steuerklappe 52 oder den Abgasschieber 54 verschlossen, sodass der gesamte Abgasstrom durch die Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit und den Stickoxid-Speicherkatalysator 30 geleitet wird.
In 2 ist ein zweiter Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 dargestellt, bei welchem der Verbrennungsmotor 10 zur Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators 30 mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ_E < 1 betrieben wird. Dabei wird der Abgaskanal 22 an der Verzweigung 32 durch das Steuerelement 50 verschlossen und der Abgasstrom 58 des Verbrennungsmotors 10 durch den Bypass geleitet. Dadurch wird vermieden, dass bei einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ_E < 1 in den Brennräumen 12 des Verbrennungsmotors 10 zunächst der Sauerstoffspeicher OSC der Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit ausgeräumt wird und es in diesem Zeitraum zu einem Anstieg der Stickoxid-Emissionen stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit durch ein stöchiometrisches Abgas und eine Desorption der Stickoxide aus dem Stickoxid-Speicherkatalysator 30 kommt. Die Im Stickoxid-Speicherkatalysator 30 eingelagerten Stickoxide werden mit den unverbrannten Abgaskomponenten, insbesondere mit unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenstoffmonoxid, aus dem unterstöchiometrischen Abgas umgesetzt, sodass die Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators 30 im Wesentlichen ohne einen Anstieg der Stickoxid-Endrohremissionen erfolgt. Ist der Sauerstoffspeicher OSC der Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit vollständig ausgeräumt und/oder der Stickoxid-Speicherkatalysator 30 vollständig regeneriert, so wird der Bypass 34 wieder verschlossen und der Abgasstrom durch den Abgaskanal 22 stromabwärts der Verzweigung und somit durch die Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit und anschießend durch den Stickoxid-Speicherkatalysator 30 geleitet.
In 3 ist ein Ablaufdiagramm eines aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens zur Regeneration eines Stickoxid-Speicherkatalysators 30 in der Abgasanlage 20 eines Verbrennungsmotors 10 dargestellt. Dabei sind das Verbrennungsluftverhältnis in den Brennräumen 12 des Verbrennungsmotors λ_E, das Verbrennungsluftverhältnis λ_I in der Abgasanlage 20 an einer ersten Lambdasonde 42 stromabwärts eines Auslasses 18 des Verbrennungsmotors 10 und stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit und das Verbrennungsluftverhältnis λ_II in der Abgasanlage 20 an einer zweiten Lambdasonde 44 stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit und stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators 30 dargestellt. Ferner ist der Beladungszustand des Sauerstoffspeichers OSC der Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit im zeitlichen Verlauf dargestellt.
In einer ersten Phase I wird der Verbrennungsmotor 10 mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ_E > 1 betrieben, wobei der Abgasstrom 58 des Verbrennungsmotors 10 durch die Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit, insbesondere einem Drei-Wege-Katalysator 26 oder einem Vier-Wege-Katalysator 28, und anschließend durch den Stickoxid-Speicherkatalysator 30 geleitet wird. Dabei wird der Sauerstoffspeicher OSC der Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit gefüllt und der Stickoxid-Speicherkatalysator 30 mit Stickoxidemissionen, welche aufgrund des Sauerstoffüberschusses und des fehlenden Reduktionsmittels nicht durch die Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit konvertiert werden können, in dem Stickoxid-Speicherkatalysator 30 eingelagert wird.
In einer zweiten Phase II wird der Verbrennungsmotor 10 mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ_E < 1 betrieben. Dabei wird zunächst der Sauerstoffspeicher OSC der Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit ausgeräumt, wobei sich stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit und stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators 30 ein stöchiometrisches Abgas einstellt. Dieses stöchiometrische Abgas führt dazu, dass ein Teil der im Stickoxid-Speicherkatalysator 30 eingelagerten Stickoxide desorbiert und freigesetzt wird, wodurch es in dieser zweiten Phase II zu einem Anstieg der Stickoxid-Endrohremissionen kommt.
In einer dritten Phase III ist der Sauerstoffspeicher OSC der Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit entleert, und der Verbrennungsmotor 10 wird weiterhin mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ_E < 1 betrieben. Dabei erfolgt eine Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators 30. Ist der Stickoxid-Speicherkatalysator 30 vollständig regeneriert, so wird der Verbrennungsmotor 10 in einer vierten Phase IV wieder mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ_E > 1 betrieben, wobei der Abgasstrom 58 des Verbrennungsmotors 10 durch die Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit, insbesondere einen Drei-Wege-Katalysator 26 oder einen Vier-Wege-Katalysator 28, und anschließend durch den Stickoxid-Speicherkatalysator 30 geleitet wird. Dabei wird der Sauerstoffspeicher OSC der Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit gefüllt und die Stickoxidemissionen des Verbrennungsmotors 10, welche aufgrund des Sauerstoffüberschusses und des fehlenden Reduktionsmittels nicht durch die Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit konvertiert werden können, in dem Stickoxid-Speicherkatalysator 30 eingelagert. Die vierte Phase IV entspricht daher der ersten Phase I und stellt einen neuen Beladungszyklus des Stickoxid-Speicherkatalysators 30 dar.
4 zeigt den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors 10 mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem dar, wobei die Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators 30 im Wesentlichen ohne einen Anstieg der Stickoxid-Endrohremissionen erfolgt. Dabei sind das Verbrennungsluftverhältnis in den Brennräumen 12 des Verbrennungsmotors λ_E, das Verbrennungsluftverhältnis λ_I in der Abgasanlage 20 an einer ersten Lambdasonde 42 stromabwärts eines Auslasses 18 des Verbrennungsmotors 10 und stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC, insbesondere stromaufwärts der Verzweigung 32 und das Verbrennungsluftverhältnis λ_II in der Abgasanlage 20 an einer zweiten Lambdasonde 44 stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC und stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators 30, insbesondere stromabwärts der Einmündung 36 und stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators 30 dargestellt. Ferner ist der Beladungszustand des Sauerstoffspeichers OSC der Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit im zeitlichen Verlauf dargestellt.
In einer ersten Phase I wird der Verbrennungsmotor 10 mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ_E > 1 betrieben, wobei der Abgasstrom 58 des Verbrennungsmotors 10 durch die Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit, insbesondere einen Drei-Wege-Katalysator 26 oder einen Vier-Wege-Katalysator 28, und anschließend durch den Stickoxid-Speicherkatalysator 30 geleitet wird. Dabei wird der Sauerstoffspeicher OSC der Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit gefüllt und der Stickoxid-Speicherkatalysator 30 mit Stickoxidemissionen, welche aufgrund des Sauerstoffüberschusses und des fehlenden Reduktionsmittels nicht durch die Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit konvertiert werden können, in dem Stickoxid-Speicherkatalysator 30 eingelagert.
In einer zweiten Phase II wird der Verbrennungsmotor 10 mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ_E < 1 betrieben. Dabei wird das Stellelement 50 verstellt und der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 durch den Bypass 34 geleitet. Somit wird ein unterstöchiometrisches Abgas an der Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit vorbei direkt zu dem Stickoxid-Speicherkatalysator 30 geleitet. Somit beginnt in dieser zweiten Phase II eine Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators 30. Parallel wird der Sauerstoffspeicher OSC der Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit in dieser zweiten Phase II ausgeräumt.
Ist der Sauerstoffspeicher OSC vollständig entleert, wird in einer dritten Phase III der Bypass 34 wieder verschlossen und der Abgasstrom 58 des Verbrennungsmotors 10 wieder durch den Abgaskanal 22 und somit zunächst durch die Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit und anschließend durch den Stickoxid-Speicherkatalysator 30 geleitet. Dabei wird der Verbrennungsmotor 10 weiterhin mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ_E < 1 betrieben. In dieser dritten Phase III erfolgt eine vollständige Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators 30. Ist der Stickoxid-Speicherkatalysator 30 vollständig regeneriert, so wird der Verbrennungsmotor 10 in einer vierten Phase IV wieder mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ_E > 1 betrieben, wobei der Abgasstrom 58 des Verbrennungsmotors 10 durch die Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit, insbesondere einen Drei-Wege-Katalysator 26 oder einen Vier-Wege-Katalysator 28, und anschließend durch den Stickoxid-Speicherkatalysator 30 geleitet wird. Dabei wird der Sauerstoffspeicher OSC der Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit gefüllt und die Stickoxidemissionen des Verbrennungsmotors 10, welche aufgrund des Sauerstoffüberschusses und des fehlenden Reduktionsmittels nicht durch die Abgasnachbehandlungskomponente 24 mit der Sauerstoffspeicherfähigkeit konvertiert werden können, in dem Stickoxid-Speicherkatalysator 30 eingelagert. Die vierte Phase IV entspricht daher der ersten Phase I und stellt einen neuen Beladungszyklus des Stickoxid-Speicherkatalysators 30 dar.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Brennraum
14: Kraftstoffinjektor
16: Zündkerze
18: Auslass
20: Abgasanlage
22: Abgaskanal
24: Abgasnachbehandlungskomponente mit Sauerstoffspeicherfähigkeit
26: Drei-Wege-Katalysator
28: Vier-Wege-Katalysator
30: Stickoxid-Speicherkatalysator
32: Verzweigung
34: Bypass
36: Einmündung
38: Abgasturbolader
40: Turbine
42: erste Lambdasonde
44: zweite Lambdasonde
46: Breitbandsonde
48: Sprungsonde
50: Stellelement
52: Abgasklappe
54: Abgasschieber
56: Stellmotor
58: Abgasstrom
60: Motorsteuergerät
62: Speichereinheit
64: Recheneinheit
66: Computerprogrammcode
68: On-Board-Diagnoseeinheit
λE: Verbrennungsluftverhältnis in den Brennräumen des Verbrennungsmotors
λI: Verbrennungsluftverhältnis an der ersten Lambdasonde
λII: Verbrennungsluftverhältnis an der zweiten Lambdasonde
OSC: Sauerstoffspeicher der Abgasnachbehandlungskomponente

Claims

Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Abgases eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors (10) mit einem Abgasnachbehandlungssystem, umfassend eine Abgasanlage (20) mit einem Abgaskanal (22), in welchem in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors (10) durch den Abgaskanal (22) eine Abgasnachbehandlungskomponente (24) mit Sauerstoffspeicherfähigkeit und stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente (24) mit Sauerstoffspeicherfähigkeit ein Stickoxid-Speicherkatalysator (30) angeordnet ist, wobei ein Bypass (34) an einer Verzweigung (32) stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente (24) mit Sauerstoffspeicherfähigkeit aus dem Abgaskanal (22) abzweigt und an einer Einmündung (36) stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente (24) mit Sauerstoffspeicherfähigkeit und stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators (30) wieder in den Abgaskanal (22) einmündet, umfassend folgende Schritte: - Betreiben des Verbrennungsmotors (10) mit einem überstöchiometrischen, mageren Verbrennungsluftverhältnis (λ_E > 1), - Einlagern von NOx-Emissionen in den Stickoxid-Speicherkatalysator (16) in Form von Nitraten, - Öffnen des Bypasses (34) - Betreiben des Verbrennungsmotors (10) mit einem unterstöchiometrischen, fetten Verbrennungsluftverhältnis (λ_E < 1), wobei ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10) durch den Bypass (34) an der Abgasnachbehandlungskomponente (24) mit Sauerstoffspeicherfähigkeit vorbeigeleitet und der Stickoxid-Speicherkatalysator (30) regeneriert wird, wobei - der Bypass (34) geschlossen wird, wenn ein Sauerstoffspeicher der Abgasnachbehandlungskomponente (24) mit Sauerstoffspeicherfähigkeit vollständig entleert ist.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbrennungsluftverhältnis in der Abgasanlage (20) stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente (24) mit Sauerstoffspeicherfähigkeit und stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators (30) ermittelt wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beginn und/oder ein Ende der Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators (30) mittels eines in einem Motorsteuergerät (60) des Verbrennungsmotors (10) abgelegten Bilanzierungsmodells zur Ermittlung des Beladungszustandes des Stickoxid-Speicherkatalysators (30) eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) nach einem Ende der Regeneration des Stickoxid-Speicherkatalysators (30) mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ_E = 1) oder überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ_E > 1) betrieben wird.
Abgasnachbehandlungssystem für einen fremdgezündeten Verbrennungsmotor (10), umfassend eine Abgasanlage (20) mit einem Abgaskanal (22), in welchem in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors (10) durch den Abgaskanal (22) eine Abgasnachbehandlungskomponente (24) mit Sauerstoffspeicherfähigkeit und stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente (24) mit Sauerstoffspeicherfähigkeit ein Stickoxid-Speicherkatalysator (30) angeordnet ist, wobei ein Bypass (34) an einer Verzweigung (32) stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente (24) mit Sauerstoffspeicherfähigkeit aus dem Abgaskanal (22) abzweigt und an einer Einmündung (36) stromabwärts der Abgasnachbehandlungskomponente (24) mit Sauerstoffspeicherfähigkeit und stromaufwärts des Stickoxid-Speicherkatalysators (30) wieder in den Abgaskanal (22) einmündet, sowie mit einem Motorsteuergerät (60), welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 auszuführen.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Verzweigung (32) ein Stellelement (50), mit welchem ein Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10) wahlweise durch den Abgaskanal (22) oder durch den Bypass (24) geleitet werden kann, angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (50) als eine Abgasklappe (52) oder ein Abgasschieber (54) ausgeführt ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abgaskanal (22) stromaufwärts der Verzweigung (32) eine erste Lambdasonde (42) und stromabwärts der Einmündung (36) und stromaufwärts des Stickoxidspeicherkatalysators (30) eine zweite Lambdasonde (44) angeordnet ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abgaskanal (20) stromaufwärts der Verzweigung (32) eine Turbine (40) eines Abgasturboladers (38) angeordnet ist.