WO2020193281A1 - Verfahren und vorrichtung zur regeneration eines beschichteten partikelfilters im abgastrakt eines benzinbetriebenen kraftfahrzeugs - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur regeneration eines beschichteten partikelfilters im abgastrakt eines benzinbetriebenen kraftfahrzeugs Download PDF

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Erwin Achleitner
Hendra Kurniawan
Gerhard Haft
Soufiane KOLODZIEJ
Paul Rodatz
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for regenerating a coated particle filter in the exhaust tract of a gasoline-powered motor vehicle.
  • Exhaust emission reduction strategies can be applied simultaneously. These different exhaust emission reduction strategies use different components including a respective associated sensor system.
  • Particle filters often also referred to as soot filters, have been in use for diesel internal combustion engines for a long time and have proven themselves in practice.
  • Gasoline-powered internal combustion engine especially in internal combustion engines with direct fuel injection, in which the fuel is introduced directly into the combustion chambers at high pressures and is very finely atomized, particles arise.
  • the legislator also sets the limit values for particle emissions from gasoline-powered internal combustion engines, which with
  • the particle filters used for this purpose essentially consist of one
  • Monolith This filters most of the particles produced during combustion, mostly soot particles, out of the exhaust gas.
  • the separated particles remain in the particle filter if they are present in the particle filter Conditions, such as increased temperature, oxygen in the exhaust gas, do not lead to the regeneration of the particulate filter.
  • temperatures above 550-600 ° C are required. The higher the temperature, the faster the oxidation of the soot takes place.
  • the particle filter close to the engine or in the underbody of a motor vehicle.
  • the particle filter is arranged, for example, about 800 mm further away from the engine compared to a particle filter arranged close to the engine.
  • exhaust gas temperatures are approximately 140 ° C. lower than in the case of a particle filter arranged close to the engine.
  • Particle filter regeneration temperature of 600 ° C cannot be reached.
  • Exhaust tract is blown in and the energy for heating the particle filter from the unburned components CO and HC is provided by a rich engine operation.
  • the algorithm used here calculates the air ratio that is required for heating the particle filter as a function of the exhaust gas temperature upstream of the particle filter.
  • the secondary air source is set in such a way that the air ratio downstream of the particle filter is in the lean range in order to ensure soot oxidation in the particle filter.
  • Particle filter regeneration is.
  • Catalyst heating by retarding the ignition point and using lean operation to regenerate the particle filter results in an additional consumption of 33% without the temperature required for regeneration being reached.
  • a nitrogen oxide conversion of the catalytic converter is deactivated by the lean engine operation, which results in a massive increase in
  • the object of the present invention is to provide a method and a device with which or with which a
  • Regeneration of a coated particle filter of an internal combustion engine can be carried out without increased pollutant emissions occurring.
  • Claim 17 has one Device for the regeneration of a coated particle filter in the exhaust system of a gasoline-powered motor vehicle.
  • the actual value is provided by a nitrogen oxide sensor arranged downstream of the particle filter.
  • the actual value is provided by a lambda sensor arranged downstream of the particle filter.
  • the actual value is provided by an ammonia sensor arranged downstream of the particle filter.
  • the amount of secondary air is increased when a change in the lambda value in the direction of rich is detected.
  • the amount of secondary air is increased when an increase in the ammonia content in the exhaust gas is detected.
  • the amount of secondary air is increased if a calculated negative amount of oxygen dioxide, which was withdrawn from the particle filter during a phase in which the secondary air injection was switched off, falls below a predetermined threshold value.
  • the amount of secondary air is reduced when a change in the lambda value in the direction of lean is detected.
  • the amount of secondary air is reduced when an increase in nitrogen oxide emissions is detected. According to one embodiment of the invention, the amount of secondary air is reduced when a calculated amount of oxygen dioxide, which is present during a phase with active secondary air injection, exceeds a predetermined value
  • Amount of secondary air provided by a secondary air source is a fraction of secondary air provided by a secondary air source.
  • Secondary air volume provided by clocking a secondary air valve or a variable opening cross-section of a secondary air valve.
  • Figure 1 is a sketch of a device for regenerating a coated
  • Figure 2 is a schematic representation of part of an exhaust tract of a gasoline-powered motor vehicle
  • FIG. 3 shows a first diagram to illustrate a method for
  • Figure 4 shows a second diagram to illustrate a method for
  • FIG. 1 shows a sketch of a device for regenerating a
  • coated particle filter in the exhaust system of a gasoline-powered motor vehicle is a gasoline-powered motor vehicle.
  • the device shown in FIG. 1 includes an activated charcoal container 1 connected to a fuel tank 5. Fresh air is supplied to this activated charcoal container 1 via an air filter 8. Furthermore, the activated charcoal canister 1 is connected to a tank ventilation valve 4 via a scavenging air pump 2. A pressure sensor 3 is positioned in the line between the scavenging air pump 2 and the tank ventilation valve 4.
  • the mass flow flowing through the tank ventilation valve 4 is passed upstream of a compressor 10 into the air path 9 of the motor vehicle and mixed there with fresh air to be compressed, which is fed to the air path 9 via a further air filter 7.
  • the compressor 10 is part of an exhaust gas turbocharger, to which a turbine 17 also belongs, which is connected to the compressor 10 via a shaft indicated by a dashed line.
  • Tank vent valve 4 are flowing mass flow, is fed in the further course of the air path 9 via a charge air cooler 1 1 and a throttle valve 13 to the crankcase 15 of the motor vehicle and injected there together with fuel into the combustion chambers of the motor vehicle.
  • a pressure sensor 12 is provided in the air path 9 between the charge air cooler 11 and the throttle valve 13. Between the throttle valve 13 and the throttle valve 13 and the throttle valve 13
  • a further pressure sensor 14 is provided in the crankcase 15 in the air path 9.
  • the Exhaust gas formed during the combustion process is fed to the turbine 17 via an exhaust gas tract 16 and is used in the turbine to drive the turbine wheel, which drives the compressor wheel provided in the compressor via the shaft.
  • the exhaust gas output from the turbine 17 is via a
  • Three-way catalyst 18 and a four-way catalyst 19 which one
  • an engine controller 6 which provides output signals 21 on the basis of input signals 20 supplied to it and stored working software.
  • the input signals 20 fed to the engine controller 6 are, in particular, sensor signals and data signals provided by a higher-level controller.
  • the sensor signals include, for example, pressure sensor signals,
  • Output signals 21 of the engine controller 6 include, in particular, control signals for the injection valves and the tank ventilation valve 4.
  • the device shown in FIG. 1 has a secondary air path 29 which, starting from the scavenging air pump 2, leads via a secondary air valve 24 upstream of the four-way catalytic converter 19 into the exhaust tract. Consequently, in this exemplary embodiment, the scavenging air pump serves as the secondary air source.
  • sensors are provided in the exhaust tract downstream of the turbine 17. These sensors include a differential pressure sensor 22, one of the connections of the
  • connection of the differential pressure sensor is connected to the exhaust tract downstream of the four-way catalytic converter.
  • the sensors mentioned also include a control sensor 25, which is arranged downstream of the four-way catalytic converter 19 in the exhaust tract 16.
  • the output signals of the sensors mentioned are the
  • Motor control 6 is supplied as input signals 20.
  • the engine control 6 calculates its output signals 21 according to stored algorithms, which are fed as control signals to the actuators of the device shown.
  • actuators include the purge air pump 2 and the
  • Secondary air valve 24 which are acted upon by the engine control 6 with respective control signals, on the basis of which the secondary air conducted into the exhaust tract 16 is regulated.
  • the secondary air fed into the exhaust tract 16 is regulated
  • a control algorithm is stored in the engine control 6, which is generated by evaluating the output signals of the downstream of the which form an actual value for the control
  • the control sensor 25 arranged downstream of the particle filter can be a nitrogen oxide sensor, a lambda sensor or an ammonia sensor, each of these sensors also being a combination sensor which, for example, performs both the function of a nitrogen oxide sensor and the function of an ammonia sensor or both the function a lambda sensor as well as the function of an ammonia sensor.
  • the amount of secondary air is increased, for example, if a change in the lambda value towards rich is detected or if an increase in the ammonia content in the exhaust gas is detected.
  • the amount of secondary air is increased if a calculated negative amount of oxygen dioxide is used during a phase with the
  • Secondary air injection or reduced amount of secondary air was withdrawn from the particle filter, falls below a predetermined threshold value.
  • Lambda value is detected in the lean direction or an increase in
  • Nitrogen oxide emissions is detected or a calculated amount of oxygen dioxide, which is present during a phase with active secondary air injection, exceeds a predetermined threshold value.
  • Fuel tanks 5 On the other hand, it serves as a secondary air source for the regeneration of the particle filter.
  • Secondary air source also used an electrically operated air pump.
  • An introduction of the required amount of secondary air into the exhaust tract can be achieved by setting or changing the speed of the
  • Air pump can be achieved and / or by setting or changing the passage cross section of the secondary air valve 24 in a suitable manner.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of part of an exhaust gas tract of a gasoline-powered internal combustion engine, from which the basic
  • This representation shows that a three-way catalytic converter 18 and downstream of this three-way catalytic converter 18 a four-way catalytic converter 19 are arranged in the exhaust gas tract 16 of the motor vehicle, this four-way catalytic converter having a coated particle filter with a
  • Secondary air path 29, in which a secondary air valve 23 is arranged, is passed into the exhaust tract 16, namely into the area between the
  • control sensor 25 is arranged downstream of the particle filter.
  • the temperature in the four-way catalytic converter which is a coated particulate filter with a three-way catalytic converter coating, is controlled by a model in which the enrichment upstream of the four-way catalytic converter is calculated in such a way that the target temperature for the particulate filter regeneration is achieved.
  • FIG. 3 shows a first diagram to illustrate the above
  • FIG. 4 shows a second diagram to illustrate the above-described method according to the invention for regenerating a
  • the secondary air quantity is determined as actual values using the output signals of a control sensor arranged downstream of the particle filter.
  • Ammonia sensor can be used.
  • the secondary air injection can be switched on according to one or more of the following criteria:
  • the amount of secondary air can vary based on one or more of the following criteria:
  • the amount of secondary air required in each case can be adjusted by changing the speed of a scavenging air pump used as a secondary air source. This has a positive effect on low carbon monoxide and ammonia emissions.
  • the required amount of secondary air can be provided by clocking a secondary air valve, i. E. by opening and closing the secondary air valve, to which secondary air supplied by a scavenging air pump is supplied, in such a way that an air ratio oscillating around the stoichiometric air ratio is present downstream of the particle filter.
  • a secondary air valve i. E. by opening and closing the secondary air valve, to which secondary air supplied by a scavenging air pump is supplied, in such a way that an air ratio oscillating around the stoichiometric air ratio is present downstream of the particle filter.
  • the disadvantage would have to be accepted that, compared to regulating the amount of secondary air by changing the speed of the scavenging air pump or changing the cross section of the secondary air valve, higher levels of carbon monoxide and
  • the air ratio for a coated particle filter is regulated, in which the amount of secondary air blown into the exhaust tract is regulated using a control sensor arranged downstream of the particle filter and no regulation of the amount of fuel takes place, as in a conventional control of the air ratio for a
  • Three-way catalyst is made.
  • the amount of fuel (lambda of the internal combustion engine) is used as a manipulated variable for a temperature model of the particle filter.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration eines beschichteten Partikelfilters im Abgastrakt eines benzinbetriebenen Kraftfahrzeugs, bei welchem eine Regelung einer in den Abgastrakt geleiteten Sekundärluftmenge vorgenommen wird, bei welcher ein Istwert für die Regelung von einem stromab des Partikelfilters angeordneten Sensor bereitgestellt wird und bei welcher die Regelung derart vorgenommen wird, dass die stromab des Partikelfilters vorliegende Luftzahl um die stöchiometrische Luftzahl oszilliert. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Regeneration eines beschichteten Partikelfilters im Abgastrakt eines benzinbetriebenen Kraftfahrzeugs.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Regeneration eines beschichteten Partikelfilters im Abgastrakt eines benzinbetriebenen Kraftfahrzeugs
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regeneration eines beschichteten Partikelfilters im Abgastrakt eines benzinbetriebenen Kraftfahrzeugs.
Zunehmend strenger werdende gesetzlich einzuhaltende Emissionsgrenzwerte stellen immer höhere Ansprüche an das Abgassystem von Kraftfahrzeugen. Um derartigen Ansprüchen gerecht werden zu können, müssen verschiedene
Abgasemissionsreduzierungsstrategien simultan angewendet werden. Diese verschiedenen Abgasemissionsreduzierungsstrategien verwenden verschiedene Komponenten inklusive einer jeweils zugehörigen Sensorik.
Neben der Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und damit der CC -Emissionen ist die Reduzierung der gasförmigen Emissionen CO, NOx und HC mittels eines oder mehrerer Abgaskatalysatoren und die Reduzierung der Partikelemissionen mit Hilfe von Partikelfiltern ein wesentliches Entwicklungsziel.
Partikelfilter, oft auch als Rußfilter bezeichnet, für Diesel-Brennkraftmaschinen sind seit längerem im Einsatz und haben sich in der Praxis bewährt.
Des Weiteren ist es bereits bekannt, dass auch im Abgastrakt einer
benzinbetriebenen Brennkraftmaschine, insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit Kraftstoffdirekteinspritzung, bei denen der Kraftstoff mit hohen Drücken direkt in die Brennräume eingebracht und sehr fein zerstäubt wird, Partikel entstehen.
Deshalb werden vom Gesetzgeber auch die Grenzwerte für den Partikelausstoß von benzinbetriebenen Brennkraftmaschinen, welche mit
Kraftstoffdirekteinspritzung betrieben werden, erhöht. So muss mit Einführung der Schadstoffnorm Euro 6d der dann geltende Grenzwert von maximal 6 x 1011 Partikel/km eingehalten werden.
Die hierzu verwendeten Partikelfilter bestehen im Wesentlichen aus einem
Gehäuse (dem sogenannten can) und einem in das Gehäuse eingesetzten
Monolith. Dieser filtert die bei der Verbrennung entstandenen Partikel, zumeist Rußpartikel, zu einem Großteil aus dem Abgas heraus. Die abgeschiedenen Partikel verbleiben im Partikelfilter, sofern die im Partikelfilter vorliegenden Bedingungen, beispielsweise erhöhte Temperatur, Sauerstoff im Abgas, nicht zur Regeneration des Partikelfilters führen.
Für das Regenerieren eines beschichteten Partikelfilters sind Temperaturen über 550-600 °C erforderlich. Je höher die Temperatur ist, umso schneller findet die Oxidation des Rußes statt.
Es ist bereits bekannt, den Partikelfilter motornah oder im Unterboden eines Kraftfahrzeugs anzuordnen. Bei einer Unterbodenanordnung des Partikelfilters ist der Partikelfilter im Vergleich zu einem motornah angeordneten Partikelfilter beispielsweise um etwa 800 mm weiter entfernt vom Motor angeordnet. Eine Folge ist, dass im Falle einer Unterbodenanordnung des Partikelfilters im Partikelfilter um etwa 140°C niedrigere Abgastemperaturen vorliegen als bei einem motornah angeordneten Partikelfilter.
Deshalb konnte bisher beim Vorliegen einer Unterbodenanordnung des
Partikelfilters die erforderliche Partikelfilter-Regenerationstemperatur ohne
Fleizmaßnahmen im Abgastrakt erst in einer„Extra High Phase“ des WLTP
(Worldwide Flarmonized Light Vehicles Test Procedure) erreicht werden, in welcher eine vergleichsweise hohe Fahrgeschwindigkeit vorliegt. Erfolgt eine längere Fahrt im Niedriggeschwindigkeitsbereich, dann kann die erforderliche
Partikelfilter-Regenerationstemperatur von 600 °C nicht erreicht werden.
Um diese Nachteile zu vermeiden, hat die Anmelderin ein System entwickelt, bei welchem Sekundärluft stromauf eines beschichteten Partikelfilters in den
Abgastrakt eingeblasen wird und die Energie für die Aufheizung des Partikelfilters aus den unverbrannten Komponenten CO und HC durch einen fetten Motorbetrieb bereitgestellt wird. Der dabei verwendete Algorithmus berechnet in Abhängigkeit von der Abgastemperatur stromauf des Partikelfilters die Luftzahl, welche für eine Aufheizung des Partikelfilters erforderlich ist. Die Sekundärluftquelle wird derart eingestellt, dass die Luftzahl stromab des Partikelfilters im mageren Bereich liegt, um eine Rußoxidation im Partikelfilter sicherzustellen. Mittels dieses Systems können selbst im Leerlauf Partikelfilter-Temperaturen von etwa 800°C erreicht werden, was deutlich über der erforderlichen Mindesttemperatur für die
Partikelfilter-Regenerierung liegt.
Bei einer motorfernen Anordnung des Partikelfilters und einer hohen thermischen Trägheit des Abgassystems bis zum Unterboden-Partikelfilter kann die zur Regeneration des Partikelfilters notwendige Temperatur bei spätem Zündzeitpunkt für den Niedriggeschwindigkeitsbereich nicht ohne Komfort-Einbußen erreicht werden. Da die Heizmaßnahmen wesentlich stärker als zu einem schnellen Erreichen der Anspringtemperatur (Jight-off-Temperatur) eines motornahen Partikelfilters ausfallen müssen, ist ein limitierender Faktor die Aussetzerkennung in der Motorsteuerung. Erst durch eine Beschleunigung im hohen
Geschwindigkeitsbereich wird für eine Unterbodenanordnung des Partikelfilters die Partikelfilter-Regenerationstemperatur ohne Heizmaßnahmen erreicht.
Wegen der zur Aufheizung des Partikelfilters benötigten Energie durch einen unterstöchiometrischen Betrieb ergibt sich während der Regenerierung des Partikelfilters ein Kraftstoffmehrverbrauch von 10%. Da nur der Partikelfilter aufgeheizt wird und die thermische Masse eines Abgasturboladers des
Kraftfahrzeugs und motornahen Katalysators keine Rolle spielen, ist der
Kraftstoffm ehrverbrauch während der Regeneration minimiert. Bei einer
Katalysatorheizung durch eine Spätverstellung des Zündzeitpunkts und einen Magerbetrieb zur Regenerierung des Partikelfilters ergibt sich ein Mehrverbrauch von 33%, ohne dass die zur Regenerierung benötigte Temperatur erreicht wird. Darüber hinaus wird eine Stickoxidkonvertierung des Katalysators durch den mageren Motorbetrieb deaktiviert, wodurch sich ein massiver Anstieg der
Stickoxidemissionen ergibt.
Im Falle einer Regenerierung des Partikelfilters mit Sekundärluftheizung tritt ein Anstieg der Stickoxidemissionen auf. Bei einem unterstöchiometrischen Betrieb des Verbrennungsmotors wird bei Pt/Rh-Katalysatoren NH3 gebildet, welches im Pt/Rh beschichteten Partikelfilter bei Sauerstoffüberschuss wieder zu Stickoxid oxidiert wird, so dass während der Regeneration ein unerwünschter Anstieg von Stickoxid auftritt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit dem bzw. mit der auf zuverlässige Weise eine
Regeneration eines beschichteten Partikelfilters einer Brennkraftmaschine durchgeführt werden kann, ohne dass erhöhte Schadstoffemissionen auftreten.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 - 16 angegeben. Der Patentanspruch 17 hat eine Vorrichtung zur Regeneration eines beschichteten Partikelfilters im Abgastrakt eines benzinbetriebenen Kraftfahrzeugs zum Gegenstand.
Bei einem Verfahren mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen wird zur Regeneration eines im Abgastrakt eines benzinbetriebenen beschichteten Partikelfilters eine Regelung einer in den Abgastrakt geleiteten Sekundärluftmenge vorgenommen, bei welcher ein Istwert für die Regelung von einem stromab des Partikelfilters angeordneten Sensor bereitgestellt wird und bei welcher die
Regelung derart vorgenommen wird, dass die stromab des Partikelfilters vorliegende Luftzahl um die stöchiometrische Luftzahl (l= 1 ) oszilliert.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der Istwert von einem stromab des Partikelfilters angeordneten Stickoxidsensor bereitgestellt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Istwert von einem stromab des Partikelfilters angeordneten Lambdasensor bereitgestellt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Istwert von einem stromab des Partikelfilters angeordneten Ammoniaksensor bereitgestellt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Sekundärluftmenge erhöht, wenn eine Änderung des Lambdawertes in Richtung fett detektiert wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Sekundärluftmenge erhöht, wenn eine Erhöhung des Ammoniakgehalts im Abgas detektiert wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Sekundärluftmenge erhöht, wenn eine berechnete negative Sauerstoffdioxidmenge, welche während einer Phase mit abgeschalteter Sekundärlufteinblasung dem Partikelfilter entzogen wurde, einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Sekundärluftmenge reduziert, wenn eine Änderung des Lambdawertes in Richtung mager detektiert wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Sekundärluftmenge reduziert, wenn ein Anstieg der Stickoxidemissionen detektiert wird. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Sekundärluftmenge reduziert, wenn eine berechnete Sauerstoffdioxidmenge, welche während einer Phase mit aktiver Sekundärlufteinblasung vorliegt, einen vorgegebenen
Schwellenwert überschreitet.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die jeweils erforderliche
Sekundärluftmenge von einer Sekundärluftquelle bereitgestellt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der
Sekundärluftquelle um eine Luftpumpe.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der
Sekundärluftquelle um eine Spülluftpumpe.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die jeweils erforderliche
Sekundärluftmenge durch eine Veränderung der Drehzahl der Luftpumpe eingestellt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die jeweils erforderliche
Sekundärluftmenge von einem e-Kompressor bereitgestellt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die jeweils erforderliche
Sekundärluftmenge durch eine Taktung eines Sekundärluftventils oder einen variablen Öffnungsquerschnitt eines Sekundärluftventils bereitgestellt.
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass sie eine
Regeneration des Partikelfilters auch bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten ermöglicht, ohne dass Fahrbarkeits-Einbußen auftreten. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die auftretenden Schadstoffemissionen klein gehalten werden, insbesondere die Stickoxidemissionen. Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren nachfolgender beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren
Es zeigt
Figur 1 eine Skizze einer Vorrichtung zur Regeneration eines beschichteten
Partikelfilters im Abgastrakt eines benzinbetriebenen Kraftfahrzeugs, Figur 2 eine schematische Darstellung eines Teils eines Abgastrakts eines benzinbetriebenen Kraftfahrzeugs,
Figur 3 ein erstes Diagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur
Regenerierung eines Partikelfilters und
Figur 4 ein zweites Diagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur
Regenerierung eines Partikelfilters.
Die Figur 1 zeigt eine Skizze einer Vorrichtung zur Regeneration eines
beschichteten Partikelfilters im Abgastrakt eines benzinbetriebenen Kraftfahrzeugs.
Zu der in der Figur 1 gezeigten Vorrichtung gehört ein mit einem Kraftstofftank 5 verbundener Aktivkohlebehälter 1 . Diesem Aktivkohlebehälter 1 wird über einen Luftfilter 8 Frischluft zugeführt. Des Weiteren ist der Aktivkohlebehälter 1 über eine Spülluftpumpe 2 an ein Tankentlüftungsventil 4 angeschlossen. In der Leitung zwischen der Spülluftpumpe 2 und dem Tankentlüftungsventil 4 ist ein Drucksensor 3 positioniert.
Der durch das Tankentlüftungsventil 4 fließende Massenstrom wird stromauf eines Verdichters 10 in den Luftpfad 9 des Kraftfahrzeugs geleitet und dort mit zu verdichtender Frischluft vermischt, die dem Luftpfad 9 über einen weiteren Luftfilter 7 zugeführt wird.
Der Verdichter 10 ist Bestandteil eines Abgasturboladers, zu welchem des Weiteren eine Turbine 17 gehört, die mit dem Verdichter 10 über eine mit einer gestrichelten Linie angedeutete Welle verbunden ist.
Der mittels des Verdichters 10 verdichtete Massenstrom, zu welchem der über den Luftfilter 7 zur Verfügung gestellte Frischluftstrom und der durch das
Tankentlüftungsventil 4 fließende Massenstrom gehören, wird im weiteren Verlauf des Luftpfades 9 über einen Ladeluftkühler 1 1 und eine Drosselklappe 13 dem Kurbelgehäuse 15 des Kraftfahrzeugs zugeleitet und dort zusammen mit Kraftstoff in die Brennräume des Kraftfahrzeugs eingespritzt.
Zwischen dem Ladeluftkühler 1 1 und der Drosselklappe 13 ist im Luftpfad 9 ein Drucksensor 12 vorgesehen. Zwischen der Drosselklappe 13 und dem
Kurbelgehäuse 15 ist im Luftpfad 9 ein weiterer Drucksensor 14 vorgesehen. Das beim Verbrennungsvorgang gebildete Abgas wird über einen Abgastrakt 16 der Turbine 17 zugeführt und wird in der Turbine zum Antrieb des Turbinenrades verwendet, welches über die Welle das im Verdichter vorgesehene Verdichterrad antreibt. Das von der Turbine 17 ausgegebene Abgas wird über einen
Dreiwegekatalysator 18 und einen Vierwegekatalysator 19, welcher einen
Partikelfilter aufweist, einem nicht dargestellten Abgasendrohr des Kraftfahrzeugs zugeführt und über dieses an die Umgebung ausgegeben.
Zur Steuerung des Verbrennungsvorgangs ist eine Motorsteuerung 6 vorgesehen, die auf Basis ihr zugeführter Eingangssignale 20 und einer abgespeicherten Arbeitssoftware Ausgangssignale 21 bereitstellt. Bei den der Motorsteuerung 6 zugeführten Eingangssignalen 20 handelt es sich insbesondere um Sensorsignale und von einer übergeordneten Steuerung bereitgestellte Datensignale. Zu den Sensorsignalen gehören beispielsweise Drucksensorsignale,
Temperatursensorsignale und Fahrpedalstellungssignale. Zu den
Ausgangssignalen 21 der Motorsteuerung 6 gehören insbesondere Steuersignale für die Einspritzventile und das Tankentlüftungsventil 4.
Des Weiteren weist die in der Figur 1 gezeigte Vorrichtung einen Sekundärluftpfad 29 auf, der ausgehend von der Spülluftpumpe 2 über ein Sekundärluftventil 24 stromauf des Vierwegekatalysators 19 in den Abgastrakt führt. Folglich dient bei diesem Ausführungsbeispiel die Spülluftpumpe als Sekundärluftquelle. Stromab der Turbine 17 sind im Abgastrakt mehrere Sensoren vorgesehen. Zu diesen Sensoren gehört ein Differenzdrucksensor 22, wobei einer der Anschlüsse des
Differenzdrucksensors stromauf des Vierwegekatalysators und der andere
Anschluss des Differenzdrucksensors stromab des Vierwegekatalysators an den Abgastrakt angeschlossen ist. Zu den genannten Sensoren gehört des Weiteren ein Regelsensor 25, der stromab des Vierwegekatalysators 19 im Abgastrakt 16 angeordnet ist. Die Ausgangssignale der genannten Sensoren werden der
Motorsteuerung 6 als Eingangssignale 20 zugeführt. Die Motorsteuerung 6 berechnet nach hinterlegten Algorithmen ihre Ausgangssignale 21 , die den Aktoren der gezeigten Vorrichtung als Steuersignale zugeführt werden.
Zu diesen Aktoren gehören unter anderem die Spülluftpumpe 2 und das
Sekundärluftventil 24, die von der Motorsteuerung 6 mit jeweiligen Steuersignalen beaufschlagt werden, anhand derer eine Regelung der in den Abgastrakt 16 geleiteten Sekundärluft erfolgt. Eine Regelung der in den Abgastrakt 16 geleiteten Sekundärluft erfolgt
insbesondere bei einer Regeneration eines im Abgastrakt angeordneten
beschichteten Partikelfilters, welcher Bestandteil des Vierwegekatalysators 19 ist. Zur Durchführung dieser Regeneration des Partikelfilters ist in der Motorsteuerung 6 ein Regelungsalgorithmus hinterlegt, der durch eine Auswertung der einen Istwert für die Regelung bildenden Ausgangssignale des stromab des
Vierwegekatalysators 19 angeordneten Regelsensors 25 eine Regelung derart vornimmt, dass die stromab des Vierwegekatalysators und damit stromab des Partikelfilters vorliegende Luftzahl l um die stöchiometrische Luftzahl l= 1 oszilliert.
Bei dem stromab des Partikelfilters angeordneten Regelsensor 25 kann es sich um einen Stickoxidsensor, einen Lambdasensor oder einen Ammoniaksensor handeln, wobei jeder dieser Sensoren auch ein Kombinationssensor sein kann, der beispielsweise sowohl die Funktion eines Stickoxidsensors als auch die Funktion eines Ammoniaksensors ausübt oder sowohl die Funktion eines Lambdasensors als auch die Funktion eines Ammoniaksensors ausübt.
Um das genannte Oszillieren der Luftzahl um ihren stöchiometrischen Wert 1 zu erreichen, wird beispielsweise die Sekundärluftmenge erhöht, wenn eine Änderung des Lambdawertes in Richtung fett detektiert wird oder wenn eine Erhöhung des Ammoniakgehalts im Abgas detektiert wird. Alternativ dazu besteht auch die Möglichkeit, die Sekundärluftmenge zu erhöhen, wenn eine berechnete negative Sauerstoffdioxidmenge, welche während einer Phase mit abgeschalteter
Sekundärlufteinblasung oder reduzierter Sekundärluftmenge dem Partikelfilter entzogen wurde, einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet.
Um das genannte Oszillieren der Luftzahl um ihren stöchiometrischen Wert 1 zu erreichen, wird die Sekundärluftmenge erniedrigt, wenn eine Änderung des
Lambdawertes in Richtung mager detektiert wird oder ein Anstieg der
Stickoxidemissionen detektiert wird oder eine berechnete Sauerstoffdioxidmenge, welche während einer Phase mit aktiver Sekundärlufteinblasung vorliegt, einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Bei dem anhand der Figur 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel wird als
Sekundärluftquelle die Spülluftpumpe 2 verwendet. Diese übt folglich eine
Doppelfunktion aus. Zum einen unterstützt sie den Entlüftungsvorgang des
Kraftstofftanks 5. Zum anderen dient sie bei der Regenerierung des Partikelfilters als Sekundärluftquelle. Alternativ zu dem in der Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel kann als
Sekundärluftquelle auch eine elektrisch betriebene Luftpumpe verwendet werden.
Eine Einleitung der jeweils erforderlichen Sekundärluftmenge in den Abgastrakt kann durch eine geeignete Einstellung bzw. Veränderung der Drehzahl der
Luftpumpe erreicht werden und/oder durch eine jeweils geeignete Einstellung bzw. Veränderung des Durchlassquerschnitts des Sekundärluftventils 24.
Eine alternative Möglichkeit besteht darin, die jeweils erforderliche
Sekundärluftmenge unter Verwendung eines e-Kompressors bereitzustellen.
Die Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils eines Abgastrakts eines benzinbetriebenen Verbrennungsmotors, aus welcher die grundsätzliche
Funktionsweise der Erfindung ersichtlich ist. Aus dieser Darstellung geht hervor, dass im Abgastrakt 16 des Kraftfahrzeugs ein Dreiwegekatalysator 18 und stromab dieses Dreiwegekatalysators 18 ein Vierwegekatalysator 19 angeordnet sind, wobei dieser Vierwegekatalysator einen beschichteten Partikelfilter mit einer
Dreiwegekatalysatorbeschichtung enthält. Ferner geht aus der Figur 2 hervor, dass mittels einer Sekundärluftquelle 28 bereitgestellte Sekundärluft über einen
Sekundärluftpfad 29, in welchem ein Sekundärluftventil 23 angeordnet ist, in den Abgastrakt 16 geleitet wird, und zwar in den Bereich zwischen dem
Dreiwegekatalysator 18 und dem Vierwegekatalysator 19, d.h. stromauf des Partikelfilters. Schließlich ist aus der Figur 2 ersichtlich, dass stromab des
Vierwegekatalysators 19 und damit stromab des Partikelfilters ein Regelsensor 25 angeordnet ist. Das Ausgangssignal dieses Regelsensors 25 dient als Istwet für eine Regelung der Luftzahl l, welche derart vorgenommen wird, dass die stromab des Partikelfilters vorliegende Luftzahl l um die stöchiometrische Luftzahl l = 1 oszilliert.
Die Temperatur im Vierwegekatalysator, bei dem es sich um einen beschichteten Partikelfilter mit Dreiwegekatalysatorbeschichtung handelt, wird durch ein Modell gesteuert, bei dem die Anfettung stromauf des Vierwegekatalysators derart berechnet wird, dass die Solltemperatur für die Partikelfilterregenerierung erreicht wird.
Die Figur 3 zeigt ein erstes Diagramm zur Veranschaulichung des oben
beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regenerierung eines Partikelfilters. In diesem Diagramm sind nach rechts die Zeit t in s und nach oben die Verläufe der Stickoxidemission NOx in mg/km, der Temperatur T in °C, der Kohlendioxidemission CO2 in g/km und der Fahrzeuggeschwindigkeit v in km/h aufgetragen, und zwar für den Fall einer Regenerierung des Partikelfilters bei magerer Luftzahl l und verzögertem Zündzeitpunkt (Verläufe a), einer
herkömmlichen Regenerierung des Partikelfilters mit Einblasung von Sekundärluft (Verläufe b), einer erfindungsgemäßen Regenerierung des Partikelfilters mit Einblasung von Sekundärluft (Verläufe c) und den Fall keiner Regenerierung des Partikelfilters (Verläufe d). Insbesondere ist aus den dargestellten Verläufen ersichtlich, dass bei einer erfindungsgemäßen Regenerierung des Partikelfilters bereits nach kurzer Zeit die für die Regenerierung erforderliche hohe Temperatur erreicht wird, dass diese hohe Temperatur trotz relativ niedriger
Fahrgeschwindigkeit erreicht wird und dass die Stickoxidemission im Vergleich zu einer herkömmlichen Regenerierung mit Einblasung von Sekundärluft erheblich reduziert ist.
Die Figur 4 zeigt ein zweites Diagramm zur Veranschaulichung des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regenerierung eines
Partikelfilters. In diesem Diagramm sind nach rechts die Zeit t in s und nach oben die Verläufe von Il TWC (das ist die Luftzahl, mit der der Verbrennungsmotor betrieben werden muss, um die Regenerationstemperatur im Vierwegekatalysator zu erreichen, gemessen mit einem linearen Lambdasensor), Il GPF (das ist das lineare Lambdasondensignal eines NOx Sensors oder eines zusätzlich
angeordneten linearen Lambdasensors nach dem Vierwegekatalysator), bA GPF (das ist das binäre Signal eines NOx Sensors oder einer binären Lambdasonde nach dem Vierwegekatalysator) und Fl (Fl ist die Sekundärluftmenge, welche vor dem Vierwegekatalysator eingeblasen wird) in l/min aufgetragen, und zwar für eine herkömmliche Regeneration mit Einblasung von Sekundärluft (Verläufe b) und eine erfindungsgemäße Regeneration mit Einblasung von Sekundärluft (Verläufe c). Aus diesen Verläufen ist insbesondere ersichtlich, dass bei der erfindungsgemäßen Regeneration ein Oszillieren der Luftzahl l auftritt
Bei der vorliegenden Erfindung wird -wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist- die Sekundärluftmenge unter Verwendung der Ausgangssignale eines stromab des Partikelfilters angeordneten Regelsensors als Istwerte ermittelt. Als Istwerte können insbesondere die Ausgangssignale eines Stickoxidsensors, eines binären Lambdasensors, einer linearen Lambdasonde oder eines
Ammoniaksensors verwendet werden. Eine Zuschaltung der Sekundärlufteinblasung kann variabel anhand eines oder mehrerer der folgenden Kriterien erfolgen:
- einer Veränderung des binären Lambdasignals in Richtung fett;
- einer Veränderung des linearen Lambdasignals in Richtung fett;
- einem Anstieg der Ammoniakemissionen;
- einer berechneten negativen Sauerstoffdioxidmenge, welche während der Phase mit abgeschalteter Sekundärlufteinblasung dem Partikelfilter entzogen wurde, wenn diese einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet.
Eine Abschaltung der Sekundärlufteinblasung oder eine Verkleinerung der
Sekundärluftmenge kann variabel anhand eines oder mehrerer der folgenden Kriterien erfolgen:
- einer Veränderung des binären Lambdasignals in Richtung mager;
- einer Veränderung des linearen Lambdasignals in Richtung mager;
- einem Anstieg der Ammoniakemissionen;
- einer berechneten Sauerstoffdioxidmenge, welche während der Phase mit aktiver Sekundärlufteinblasung dem Partikelfilter zugeführt wurde, wenn diese einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
Die jeweils erforderliche Sekundärluftmenge kann durch eine Drehzahlveränderung einer als Sekundärluftquelle verwendeten Spülluftpumpe eingestellt werden. Dies wirkt sich positiv auf niedrige Kohlenmonoxid- und Ammoniakemissionen aus.
Alternativ dazu kann die erforderliche Sekundärluftmenge durch eine Taktung eines Sekundärluftventils bereitgestellt werden, d.h. durch ein Öffnen und Schließen des Sekundärluftventils, welchem von einer Spülluftpumpe gelieferte Sekundärluft zugeführt wird, derart, dass stromab des Partikelfilters eine um die stöchiometrische Luftzahl oszillierende Luftzahl vorliegt. Dabei müsste allerdings der Nachteil in Kauf genommen werden, dass im Vergleich zu einer Regelung der Sekundärluftmenge mittels einer Drehzahlveränderung der Spülluftpumpe oder einer Veränderung des Querschnitts des Sekundärluftventils höhere Kohlenmonoxid- und
Ammoniakemissionen auftreten.
Bei der oben beschriebenen Erfindung erfolgt nach alledem eine Regelung der Luftzahl für einen beschichteten Partikelfilter, bei welcher die in den Abgastrakt geblasene Sekundärluftmenge unter Verwendung eines stromab des Partikelfilters angeordneten Regelsensors geregelt wird und keine Regelung der Kraftstoffmenge erfolgt, wie sie bei einer herkömmlichen Regelung der Luftzahl für einen
Dreiwegekatalysator vorgenommen wird.
Die Kraftstoffmenge (Lambda des Verbrennungsmotors) wird als Stellgröße für ein Temperaturmodell des Partikelfilters verwendet.
Bezugszeichenliste
1 Aktivkohlebehälter
2 Spülpumpe
3 Drucksensor
4 Tankentlüftungsventil
5 Kraftstofftank
6 Motorsteuerung
7 Luftfilter
8 Luftfilter
9 Luftpfad
10 Verdichter
11 Ladeluftkühler
12 Drucksensor
13 Drosselklappe
14 Drucksensor
15 Kurbelgehäuse
16 Abgastrakt
17 Turbine
18 Dreiwegekatalysator
19 Partikelfilter
20 Eingangssignale
21 Ausgangssignale
22 Differenzdrucksensor
23 Sekundärluftventil
24 Sekundärluftventil
25 Regelsensor
26 Ventil
27 Druck- und Temperatursensor
28 Sekundärluftquelle
29 Sekundärluftpfad

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Regeneration eines im Abgastrakt eines benzinbetriebenen Kraftfahrzeugs angeordneten beschichteten Partikelfilters, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Regelung einer in den Abgastrakt (16) geleiteten Sekundärluftmenge vorgenommen wird, bei welcher ein Istwert für die Regelung von einem stromab des Partikelfilters (19) angeordneten Regelsensor (25) bereitgestellt wird und bei welcher die Regelung derart vorgenommen wird, dass die stromab des Partikelfilters (19) vorliegende Luftzahl um die stöchiometrische Luftzahl oszilliert.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Istwert von einem stromab des Partikelfilters angeordneten Stickoxidsensor bereitgestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Istwert von einem stromab des Partikelfilters angeordneten Lambdasensor bereitgestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Istwert von einem stromab des Partikelfilters angeordneten Ammoniaksensor bereitgestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluftmenge erhöht wird, wenn eine Änderung des Lambdawertes in Richtung fett detektiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Sekundärluftmenge erhöht wird, wenn eine Erhöhung des Ammoniakgehalts im Abgas detektiert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluftmenge erhöht wird, wenn eine berechnete negative
Sauerstoffdioxidmenge, welche während einer Phase mit abgeschalteter
Sekundärlufteinblasung dem Partikelfilter entzogen wurde, einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch
gekennzeichnet, dass die Sekundärluftmenge reduziert wird, wenn eine Änderung des Lambdawertes in Richtung mager detektiert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluftmenge reduziert wird, wenn ein Anstieg der Stickoxidemissionen detektiert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluftmenge reduziert wird, wenn eine berechnete Sauerstoffdioxidmenge, welche während einer Phase mit aktiver Sekundärlufteinblasung vorliegt, einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
1 1 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die jeweils erforderliche Sekundärluftmenge von einer Sekundärluftquelle (2) bereitgestellt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Sekundärluftquelle eine Luftpumpe ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die
Sekundärluftquelle eine Spülluftpumpe ist.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils erforderliche Sekundärluftmenge durch eine Veränderung der Drehzahl der Luftpumpe eingestellt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils erforderliche Sekundärluftmenge von einem e-Kompressor bereitgestellt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils erforderliche Sekundärluftmenge durch eine Taktung eines
Sekundärluftventils (24) oder einen variablen Öffnungsquerschnitt des
Sekundärluftventils (24) bereitgestellt wird.
17. Vorrichtung zur Regeneration eines im Abgastrakt eines benzinbetriebenen Kraftfahrzeugs angeordneten beschichteten Partikelfilters, dadurch
gekennzeichnet, dass sie eine Motorsteuerung (6) aufweist, die zur Steuerung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
PCT/EP2020/057247 2019-03-25 2020-03-17 Verfahren und vorrichtung zur regeneration eines beschichteten partikelfilters im abgastrakt eines benzinbetriebenen kraftfahrzeugs WO2020193281A1 (de)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2018029230A1 (de) * 2016-08-11 2018-02-15 Volkswagen Ag Diagnoseverfahren und vorrichtung zur überprüfung der funktionsfähigkeit einer komponente zur abgasnachbehandlung
WO2019030315A1 (de) * 2017-08-10 2019-02-14 Volkswagen Ag Abgasnachbehandlungssystem und verfahren zur abgasnachbehandlung eines verbrennungsmotors

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