DE102017100892A1

DE102017100892A1 - Regeneration eines Partikelfilters oder Vier-Wege-Katalysators in einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102017100892A1
Application number: DE102017100892.6A
Authority: DE
Inventors: David Sudschajew
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-01-18
Filing date: 2017-01-18
Publication date: 2018-07-19
Also published as: WO2018134151A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters oder eines Vier-Wege-Katalysators in einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, wobei ein Anstieg der Stickoxid-Emissionen während der Regeneration des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators verhindert oder zumindest minimiert werden soll.Es ist vorgesehen, dass in der Abgasanlage eines Verbrennungsmotors ein Partikelfilter oder ein Vier-Wege-Katalysator und ein NOx-Speicherkatalysator angeordnet sind, wobei die bei einem Magerbetrieb des Verbrennungsmotors zur Regeneration des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators auftretenden NOx-Emissionen im NOx-Speicherkatalysator zwischengespeichert werden und in einer späteren motorischen Fettphase der NOx-Speicherkatalysator wieder regeneriert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters oder eines Vier-Wege-Katalysators in einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors.
Die kontinuierliche Verschärfung der Abgasgesetzgebung stellt hohe Anforderungen an die Fahrzeughersteller, welche durch entsprechende Maßnahmen zur Reduktion der motorischen Rohemissionen und durch eine entsprechende Abgasnachbehandlung gelöst werden. Mit Einführung der Gesetzgebungsstufe EU6 wird für Ottomotoren ein Grenzwert für eine Partikelanzahl vorgeschrieben, der in vielen Fällen den Einsatz eines Ottopartikelfilters notwendig macht. Im Fahrbetrieb wird ein solcher Ottopartikelfilter mit Ruß beladen. Damit der Abgasgegendruck nicht zu stark ansteigt, muss dieser Ottopartikelfilter kontinuierlich oder periodisch regeneriert werden. Um eine thermische Oxidation des im Ottopartikelfilter zurückgehaltenen Rußes mit Sauerstoff durchzuführen, ist ein hinreichend hohes Temperaturniveau in Verbindung mit gleichzeitig vorhandenem Sauerstoff in der Abgasanlage des Ottomotors notwendig. Da moderne Ottomotoren normalerweise ohne Sauerstoffüberschuss mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ=1) betrieben werden, sind dazu zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Dazu kommen als Maßnahmen beispielsweise eine Temperaturerhöhung durch eine Zündwinkelverstellung, eine zeitweise Magerverstellung des Ottomotors, das Einblasen von Sekundärluft in die Abgasanlage oder eine Kombination dieser Maßnahmen infrage. Bevorzugt wird bislang eine Zündwinkelverstellung in Richtung spät in Kombination mit einer Magerverstellung des Ottomotors angewandt, da dieses Verfahren ohne zusätzliche Bauteile auskommt und in den meisten Betriebspunkten des Ottomotors eine ausreichende Sauerstoffmenge liefern kann. Ferner wird angestrebt, die Katalysatoren im Abgaskanal des Verbrennungsmotors nach einem Kaltstart möglichst schnell auf eine Betriebstemperatur zu bringen, um möglichst schnell eine hohe Konvertierungsrate für schädliche Abgaskomponenten zu erreichen. Diese Magerverstellung des Verbrennungsmotors während der Regeneration des Partikelfilters kann jedoch dazu führen, dass es während der Regeneration des Partikelfilter zu einem signifikanten Anstieg der Stickoxid-Emissionen (NOx-Emissionen) kommt, da bei einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis im Abgas keine Komponenten wie Kohlenstoffmonoxid (CO) oder unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) mehr enthalten sind, mit denen auf dem Drei-Wege-Katalysator eine katalytische Reduktion der Stickoxid-Emissionen zu molekularem Stickstoff möglich ist.
Aus der DE 10 2013 220 899 A1 ist ein Verfahren zur Regeneration eines Partikelfilters in einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors bekannt, wobei die Temperatur des Abgases des Verbrennungsmotors durch eine entsprechende Lambdaregelung angepasst wird, um die für die Regeneration des Partikelfilters notwendige Temperatur sowie ein gleichzeitiges Vorliegen von Restsauerstoff im Abgaskanal des Verbrennungsmotors sicherzustellen. Nachteilig an einem solchen Verfahren ist jedoch, dass es durch die Magerverstellung des Verbrennungsmotors zu einer Erhöhung der Stickoxid-Emissionen im Abgas während der Regeneration des Partikelfilters kommt.
Aus der WO 2015/169958 A1 ist ein fremdgezündeter Verbrennungsmotor bekannt, in dessen Abgasanlage ein Partikelfilter angeordnet ist, wobei zur Regeneration des Partikelfilters ein mehrstufiges Verfahren durchgeführt wird, um den Fahrkomfort während der Regeneration des Partikelfilters nur so wenig wie möglich zu reduzieren. Dazu wird eine passive Regeneration des Partikelfilters in einer Schubphase des Verbrennungsmotors als „mildeste“ Maßnahme mit entsprechenden aktiven Maßnahmen zur Regeneration kombiniert, wobei in einem mehrstufigen Prozess jeweils die Maßnahmen ausgewählt werden, welche mit dem geringsten Eingriff in den Fahrkomfort beziehungsweise die Leistung des Verbrennungsmotors durchgeführt werden können. Nachteilig an einem solchen Verfahren ist jedoch, dass es auch hier bei den aktiven Maßnahmen zu einer Magerverstellung des Verbrennungsluftverhältnisses des Verbrennungsmotors und einem damit verbundenen Anstieg der Stickoxid-Emissionen kommt.
Aus der EP 1 210 509 B1 ist ein Verfahren zur Regelung eines Verbrennungsvorgangs eines Verbrennungsmotors während der Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators bekannt, welcher in einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors angeordnet ist. Dabei wird ein Einspritzbeginn für die Kraftstoffeinspritzung in einem Regenerationsbetrieb des NOx-Speicherkatalysators auf einen früheren Zeitpunkt als in einem Magerbetrieb gelegt und der Einspritzdruck erhöht, wobei ein zur Regeneration des NOx-Speicherkatalysators notwendiger unterstöchiometrischer Motorbetrieb im Wesentlichen durch die Reduzierung eines Volumenstroms angesaugter Luft und durch eine Abgasrückführung eingestellt wird. Die EP 1 210 509 B1 verweist jedoch nicht auf die Regeneration eines Partikelfilters, sondern beschäftigt sich lediglich mit der Reduktion von Stickoxid-Emissionen im Normalbetrieb des Fahrzeuges sowie bei der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators.
Darüber hinaus sind Abgasnachbehandlungssysteme bekannt, bei denen die Temperatur des Partikelfilters durch motorische Maßnahmen, insbesondere durch eine Verstellung des Zündwinkels in Richtung „spät“ erhöht wird, bis die Regenerationstemperatur des Partikelfilters erreicht ist, und der zur Oxidation des im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußes benötigte Sauerstoff dem Abgaskanal über ein Sekundärluftsystem zugeführt wird. Dazu wird aber stets ein Sekundärluftsystem benötigt, was die Kosten für den Verbrennungsmotor deutlich erhöht.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einer Abgasanlage ohne Sekundärluftsystem eine zumindest im Wesentlichen emissionsneutrale Regeneration des Partikelfilters zu ermöglichen und die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch 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, gelöst, welches folgende Schritte umfassend:

- Betreiben des Verbrennungsmotors in einem Normalbetrieb mit stöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis, wobei die bei der Verbrennung entstehenden Rußpartikel in der Abgasanlage durch den Partikelfilter oder den Vier-Wege-Katalysator zurückgehalten werden,
- Ermitteln eines Beladungszustandes des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators, wobei bei Überschreiten eines Schwellenwertes der Beladung des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators eine Regeneration eingeleitet wird,
- Verstellen des Verbrennungsluftverhältnisses des Verbrennungsmotors von einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis auf ein überstöchiometrisches oder unterstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis, 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.

Bei einem solchen Verfahren kann auch während der Regeneration des Partikelfilters sichergestellt werden, dass eine effiziente Abgasreinigung gewährleistet ist und es insbesondere nicht zu einem Anstieg der Stickoxid-Emissionen kommt.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterbildungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors möglich.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der NOx-Speicherkatalysator in der Abgasanlage stromabwärts des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators angeordnet ist, wobei die bei einer Regeneration des Partikelfilters bei einem Magerbetrieb des Verbrennungsmotors auftretenden Stickoxide in dem NOx-Speicherkatalysator eingelagert werden und der NOx-Speicherkatalysator durch einen nachfolgenden fetten Betrieb des Verbrennungsmotors regeneriert wird. Durch eine Anordnung des NOx-Speicherkatalysators stromabwärts des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators können die bei einem Magerbetrieb des Verbrennungsmotors zur Regeneration des Vier-Wege-Katalysators oder des Partikelfilters auftretenden Stickoxide aus dem Abgas entfernt und somit ein Anstieg der Stickoxid-Emissionen stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators verhindert oder vermindert werden. Der NOx-Speicherkatalysator lässt sich dann in einem späteren Motorbetrieb mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftgemisch wieder regenerieren, ohne dass es bei der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators zu einem Anstieg der Stickoxidemissionen kommt.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, das der Verbrennungsmotor zur Regeneration des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ_E zwischen 1,01 und 1,20, besonders bevorzugt zwischen 1,07 und 1,09, betrieben wird. Durch eine Regeneration des Partikelfilters oder Vier-Wege-Katalysators bei einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors von 1,01 bis 1,20 wird zum einen genügend Sauerstoff zur Regeneration des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators bereitgestellt, zum anderen aber ein unkontrollierter Rußabbrand, der zu einer thermischen Bauteilschädigung führen kann, verhindert. Besonders bevorzugt ist dabei ein Bereich zwischen 1,07 und 1,09, da in diesem Bereich eine hinreichend hohe Regenerationsgeschwindigkeit erreicht wird und zum anderen die bei der Oxidation der Rußpartikel freigesetzte Wärme dazu führt, dass die Temperatur des Partikelfilters oder Vier-Wege-Katalysators im Wesentlichen konstant bleibt und es weder zu einer thermischen Schädigung der Abgaskomponente noch zu einem Abbruch der Regeneration durch einen Temperaturabfall unter die Regenerationstemperatur kommt.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass der NOx-Speicherkatalysator in der Abgasanlage stromaufwärts des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators angeordnet ist, wobei der Verbrennungsmotor zur Regeneration des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators mit einem von einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis abweichenden Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird. Durch eine Anordnung des NOx-Speicherkatalysators stromaufwärts des Partikelfilters ist eine Regeneration des Partikelfilters bei entsprechend hohen Abgastemperaturen sowohl bei einem unterstöchiometrischen als auch bei einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird, wobei die bei der überstöchiometrischen Verbrennung auftretenden Stickoxidemissionen im NOx-Speicherkatalysator zurückgehalten werden und ein überstöchiometrisches Abgas den NOx-Speicherkatalysator durchdringt, um dem Partikelfilter oder dem Vier-Wege-Katalysator den zur Oxidation des zurückgehaltenen Rußes notwendigen Sauerstoff zuzuführen. Durch ein überstöchiometrisches, mageres Verbrennungsluftverhältnis ist eine direkte Regeneration des Partikelfilters möglich, wobei die während der mageren Verbrennung entstehenden Stickoxide-Emissionen im NOx-Speicherkatalysator zurückgehalten werden.
Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Verbrennungsmotor mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird, wobei der NOx-Speicherkatalysator regeneriert wird und bei seiner Regeneration Sauerstoff freisetzt, mit welchem der im Partikelfilter oder im Vier-Wege-Katalysator zurückgehaltene Ruß oxidiert wird. Bei einer Regeneration des NOx-Speicherkatalysators in einer Phase des überstöchiometrischen Motorbetriebs wird neben Stickstoffdioxid (NO₂) auch molekularer Sauerstoff freigesetzt, welcher zur Regeneration des im Partikelfilter oder Vier-Wege-Katalysator zurückgehaltenen Rußes genutzt werden kann. Dabei können die freigesetzten Stickstoffdioxid-Emissionen mit den unverbrannten Kraftstoffbestandteilen, insbesondere mit den unverbrannten Kohlenwasserstoffen, in elementaren Stickstoff, Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid umgesetzt werden.
In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Abgastemperatur zur Regeneration des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators durch innermotorische Maßnahmen angehoben wird. Zur Regeneration des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators ist neben dem Vorliegen von Restsauerstoff im Abgaskanal eine zur Oxidation des Rußes notwendige Temperatur notwendig. Sollte die Abgastemperatur bei einem unveränderten Betrieb des Verbrennungsmotors nicht zu dieser notwendigen Bauteiltemperatur des Partikelfilters oder Vier-Wege-Katalysators führen, so kann die Abgastemperatur durch innermotorische Maßnahmen angehoben werden, um die Regenerationstemperatur zu erreichen.
Bevorzugt ist dabei, wenn die innermotorischen Maßnahmen eine Verstellung des Zündwinkels in Richtung „spät“ umfassen. Durch eine Verstellung des Zündwinkels des Verbrennungsmotors in Richtung „spät“ kann eine Erhöhung der Abgastemperatur erreicht werden, wobei parallel der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors verschlechtert wird und die Maßnahme auf den Zeitraum der Regeneration begrenzt bleiben sollte. Diese Verstellung in Richtung „spät“ führt nicht nur zu einem Mehrverbrauch, sondern kann auch in unerwarteter, vorteilhafter Art zu einer Senkung der Rohemissionen an Stickoxiden führen.
Alternativ ist vorgesehen, dass eine erste Gruppe von Brennräumen des Verbrennungsmotors mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis und eine zweite Gruppe von Brennräumen mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben werden, wobei eine exotherme Umsetzung der unverbrannten Kraftstoffbestandteile in der Abgasanlage stromaufwärts des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators erfolgt. Diese exotherme Umsetzung der unverbrannten Kraftstoffkomponenten im Abgaskanal führt zu einem Anstieg der Abgastemperatur, wodurch der Partikelfilter oder der Vier-Wege-Katalysator auf seine zur Regeneration notwendige Temperatur aufgeheizt werden kann. Alternativ ist auch eine Aufheizung des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators durch eine Nacheinspritzung möglich.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einer Abgasanlage, in der ein Partikelfilter oder ein Vier-Wege-Katalysator und ein NOX-Speicherkatalysator angeordnet sind, sowie mit einem Steuergerät mit einem maschinenlesbaren Programmcode gelöst, wobei das Steuergerät bei einer Ausführung des Programmcodes dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Durch eine solche Abgasnachbehandlungsvorrichtung ist eine besonders effiziente Abgasreinigung auch in Betriebsphasen, insbesondere bei einer Regeneration des Partikelfilters, möglich, in denen es bei aus dem Stand der Technik bekannten Abgasanlagen zu einem Anstieg der Emissionen kommen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Partikelfilter oder der Vier-Wege-Katalysator motornah als erste Komponente der Abgasnachbehandlung angeordnet ist. Durch eine motornahe Anordnung des Partikelfilters oder Vier-Wege-Katalysators kann die Regenerationstemperatur von mindestens 550°C vergleichsweise einfach erreicht werden. Da die maximale Speicherfähigkeit von NOx-Speicherkatalysatoren in einem Temperaturbereich von ca. 250 °C bis 480 °C, und somit unterhalb der Regenerationstemperatur des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators, liegt, ist es vorteilhaft, wenn das heiße Abgas zunächst den Partikelfilter oder Vier-Wege-Katalysator und dann den NOx-Speicherkatalysator durchströmt, um eine optimale Abgasnachbehandlung und geringstmögliche Emissionen zu erreichen.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn zwischen dem Partikelfilter oder dem Vier-Wege-Katalysator und dem NOx-Speicherkatalysator ein Drei-Wege-Katalysator angeordnet ist. Durch einen zwischengeschalteten Drei-Wege-Katalysator, insbesondere in einer Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges, kann eine effiziente Abgasreinigung erreicht werden, wobei die Abgastemperatur vor dem NOx-Speicherkatalysator abgesenkt wird, um eine maximale Leistungsfähigkeit des NOx-Speicherkatalysators zu erreichen. Insbesondere weist ein solcher Drei-Wege-Katalysator eine begrenzte Sauerstoffspeicherfähigkeit auf, um während der Regeneration des Partikelfilters auftretende Sekundäremissionen, insbesondere Kohlenmonoxid, umzusetzen.
In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der NOx-Speicherkatalysator in der Abgasanlage stromaufwärts des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators angeordnet ist. Wird der Partikelfilter oder der Vier-Wege-Katalysator extern beheizt, so kann die Temperatur des Partikelfilters im Wesentlichen unabhängig von der Abgastemperatur des Verbrennungsmotors gesteigert werden. Somit können auch bei einer solchen Anordnung für den NOx-Speicherkatalysator und für den Partikelfilter beziehungsweise Vier-Wege-Katalysator ideale thermische Bedingungen erzielt werden, um eine möglichst effiziente Abgasnachbehandlung zu ermöglichen.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn dem Partikelfilter oder dem Vier-Wege-Katalysator ein Drei-Wege-Katalysator nachgeschaltet ist. Neben der bekannten Abgasreinigung durch den Drei-Wege-Katalysator im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors kann die Anordnung eines Drei-Wege-Katalysators im Abgaskanal stromabwärts des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators weitere Vorteile haben. In Abhängigkeit des Restsauerstoffanteils, der Temperatur und des Drucks in der Abgasanlage ist es möglich, dass der im Partikelfilter oder Vier-Wege-Katalysator zurückgehaltene Ruß nur unvollständig oxidiert wird und dabei Sekundäremissionen an Kohlenmonoxid auftreten. Durch einen Drei-Wege-Katalysator können diese Kohlenmonoxid-Emissionen in Kohlenstoffdioxid konvertiert und somit die Emissionen an Kohlenstoffmonoxid reduziert werden.
Gemäß einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass der NOx-Speicherkatalysator und der Partikelfilter oder der NOx-Speicherkatalysator und der Vier-Wege-Katalysator motornah angeordnet sind. Durch eine motornahe Anordnung beider Abgasnachbehandlungskomponenten können sowohl der NOx-Speicherkatalysator als auch der Partikelfilter oder der Vier-Wege-Katalysator vergleichsweise schnell auf ihre idealen Betriebstemperaturen gebracht werden, sodass innermotorische Maßnahmen zur Temperaturerhöhung nur für eine vergleichsweise kurze Zeit notwendig sind. Dadurch kann der Mehrverbrauch während einer solchen Heizphase in geringen Grenzen gehalten werden.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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 erfindungsgemäße Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, mit der die Emissionen während der Regeneration des Partikelfilters in einem erfindungsgemäßen Verfahren reduziert werden können;
2 eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abgasanlage, bei der anstelle eines Partikelfilters motornah ein Vier-Wege-Katalysator angeordnet ist;
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasanlage eines Verbrennungsmotors, mit der die Emissionen während der Regeneration des Partikelfilters in einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren reduziert werden können; und
4 ein alternatives Ausführungsbeispiel der in 3 dargestellten Abgasanlage, bei welcher der Partikelfilter durch einen Vier-Wege-Katalysator ersetzt ist.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 10 mit einer an einem Auslass 32 des Verbrennungsmotors 10 angeschlossenen Abgasanlage 12. In der Abgasanlage 12 ist in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch die Abgasanlage 12 motornah ein Partikelfilter 14 angeordnet. Unter einer motornahen Position ist in diesem Zusammenhang eine Position in der Abgasanlage mit einem Abstand von weniger als 80 cm, vorzugsweise von weniger als 50 cm, Abgaslauflänge von dem Auslass 32 des Verbrennungsmotors 10 zu verstehen. Stromabwärts des Partikelfilters 14, insbesondere in einer Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges, sind ein Drei-Wege-Katalysator 16 und weiter stromabwärts ein NOx-Speicherkatalysator 18 angeordnet, welche durch einen Abgaskanal 20 der Abgasanlage 12 miteinander verbunden sind. Die Menge des eingespritzten Kraftstoffes in die Brennräume des Verbrennungsmotors 10 und somit das Verbrennungsluftverhältnis λ_E des Verbrennungsmotors 10 ist über ein Steuergerät 24 steuerbar. Zur Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses λ_E des Verbrennungsmotors 10 sind im Abgaskanal 20 mehrere Lambdasonden 26, 28, 30 angeordnet.
Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 beschrieben, ist in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der (unbeschichtete) Partikelfilter 14 durch einen Partikelfilter mit einer drei-Wege-katalytisch wirksamen Beschichtung, einem sogenannten Vier-Wege-Katalysator 22 ersetzt. Der Vier-Wege-Katalysator 22 vereint dabei die Funktionen eines Partikelfilters und eines Drei-Wege-Katalysators. Durch die Anordnung des weiteren Drei-Wege-Katalysators 16 in der Unterbodenlage des Kraftfahrzeuges kann der Vier-Wege-Katalysator vergleichsweise klein ausgeführt werden, um eine schnelle Erwärmung auf eine Betriebstemperatur nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 zu ermöglichen.
Im Betrieb des Verbrennungsmotors 10 werden die bei der Verbrennung auftretenden Partikel im Abgas des Verbrennungsmotors 10 durch den Partikelfilter 14 oder den Vier-Wege-Katalysator 22 zurückgehalten. Dabei wird durch den Abschiebemechanismus der Partikelfilter 14 oder der Vier-Wege-Katalysator 22 mit Ruß beladen. Infolge der Beladung können Effekte wie ein erhöhter Kraftstoffverbrauch, Leistungsverlust und Zündaussetzer auftreten, wenn der Abgasgegendruck durch die Beladung des Partikelfilters 14 oder des Vier-Wege-Katalysators 22 über einen bestimmten Schwellenwert ansteigt. Folglich muss der Partikelfilter 14 oder der Vier-Wege-Katalysator 22 zyklisch oder in Abhängigkeit der Beladung regeneriert werden. Zur Regeneration des Partikelfilters 14 oder des Vier-Wege-Katalysators 22 ist neben dem Erreichen einer Regenerationstemperatur das Vorliegen von Restsauerstoff in der Abgasanlage notwendig, um die im Partikelfilter 14 oder im Vier-Wege-Katalysator 22 zurückgehaltenen Rußpartikel zu oxidieren. Durch den überstöchiometrischen Betrieb des Verbrennungsmotors 10 verlieren der Drei-Wege-Katalysator 16 und der Vier-Wege-Katalysator 22 ihre Konvertierungseigenschaften für Stickoxide, da kein Reduktionsmittel zur Reduktion von Stickoxiden zu elementarem Stickstoff mehr vorhanden ist.
Die bei diesem überstöchiometrischen Betrieb auftretenden Stickoxide (NO_x) werden in dem NOx-Speicherkatalysator 18 eingelagert. Da auch die Speicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators 18 begrenzt ist, muss auch dieser periodisch durch einen unterstöchiometrischen Betrieb des Verbrennungsmotors 10 regeneriert werden.
In 3 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung dargestellt. Dabei ist ein NOx-Speicherkatalysator 18 als erste Komponente der Abgasnachbehandlung in einer Abgasanlage 12 eines Verbrennungsmotors 10 angeordnet. Stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators 18 sind in der Abgasanlage 12 ein Partikelfilter 14 und weiter stromabwärts ein Drei-Wege-Katalysator 16 angeordnet. Zur Regelung des Verbrennungsluftverhältnisses λ_E des Verbrennungsmotors 10 sind im Abgaskanal 20 der Abgasanlage 12 mehrere Lambdasonden 26, 28, 30 angeordnet.
Bei einem Magerbetrieb des Verbrennungsmotors 10 kann der zur Regeneration des Partikelfilters 14 notwendige Sauerstoff geliefert werden. Die dabei auftretenden Stickoxid-Emissionen werden in dem NOx-Speicherkatalysator 18, welcher als Speichermedium für die Stickoxide Bariumoxid enthält, zurückgehalten und als Bariumnitrate eingelagert. Die Regeneration des Partikelfilters 14 verläuft analog dem zu 1 und 2 beschriebenen Prozess. Während der Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 18 mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors 10 wird das Bariumnitrit wieder zu Bariumoxid reduziert und die freigesetzten Stickoxide können mit den unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgas des Verbrennungsmotors umgesetzt werden, sodass es stromabwärts des Drei-Wege-Katalysators 16 zu keinem Anstieg der Stickoxid-Emissionen kommt. Bei der Reduktion von Bariumnitrit zu Bariumoxid werden neben den Stickoxiden auch elementarer Sauerstoff und Wasserdampf freigesetzt, welche zur Regeneration des Partikelfilters 14 genutzt werden können. Somit ist eine Regeneration des Partikelfilters 14 sowohl bei einem überstöchiometrischen als auch bei einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors 10, und somit in mehr Betriebssituationen als bei dem in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen, möglich, ohne die NOx-Emissionen zu erhöhen. Somit ist eine abgasneutrale Regeneration des Partikelfilters 14 in der Abgasanlage eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors 10 möglich, ohne dass es zu einem Anstieg der Stickoxid-Emissionen kommt.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungsvorrichtung dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 3 dargestellt, ist der Partikelfilter 14 durch einen Vier-Wege-Katalysator 22 ersetzt und weist somit eine zusätzliche Beschichtung auf, um die schädlichen Abgaskomponenten zu konvertieren.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Abgasanlage
14: Partikelfilter
16: Drei-Wege-Katalysator
18: NOx-Speicherkatalysator
20: Abgaskanal
22: Vier-Wege-Katalysator
24: Steuergerät
26: erste Lambdasonde
28: zweite Lambdasonde
30: dritte Lambdasonde
32: Auslass
λ_E: Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013220899 A1 [0003]
WO 2015/169958 A1 [0004]
EP 1210509 B1 [0005]

Claims

Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10), in dessen Abgasanlage (12) ein Partikelfilter (14) oder ein Vier-Wege-Katalysator (22) angeordnet ist, und in dessen Abgasanlage (12) stromaufwärts oder stromabwärts des Partikelfilters (14) oder des Vier-Wege-Katalysators (22) ein NOx-Speicherkatalysator (18) angeordnet ist, umfassend folgende Schritte: - Betreiben des Verbrennungsmotors (10) in einem Normalbetrieb mit stöchiometrischem Verbrennungsluftverhältnis, wobei die bei der Verbrennung entstehenden Rußpartikel in der Abgasanlage (12) durch den Partikelfilter (14) oder den Vier-Wege-Katalysator (22) zurückgehalten werden, - Ermitteln eines Beladungszustandes des Partikelfilters (14) oder des Vier-Wege-Katalysators (22), wobei bei Überschreiten eines Schwellenwertes der Beladung des Partikelfilters (14) oder des Vier-Wege-Katalysators (22) eine Regeneration eingeleitet wird, - Verstellen des Verbrennungsluftverhältnisses des Verbrennungsmotors (10) von einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis auf ein überstöchiometrisches oder unterstöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis, um dem Partikelfilter (14) oder dem Vier-Wege-Katalysator (22) den zur Oxidation des zurückgehaltenen Rußes notwendigen Sauerstoff zuzuführen, wobei - der NOx-Speicherkatalysator (18) während der Regeneration des Partikelfilters (14) oder des Vier-Wege-Katalysators (22) beladen oder regeneriert wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Speicherkatalysator (18) in der Abgasanlage (12) stromabwärts des Partikelfilters (14) oder des Vier-Wege-Katalysators (22) angeordnet ist, wobei die bei einer Regeneration des Partikelfilters (14) bei einem Magerbetrieb des Verbrennungsmotors (10) auftretenden Stickoxide in dem NOx-Speicherkatalysator (18) eingelagert werden und der NOx-Speicherkatalysator (18) durch einen nachfolgenden fetten Betrieb des Verbrennungsmotors (10) regeneriert wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) zur Regeneration des Partikelfilters (14) oder des Vier-Wege-Katalysators (22) mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λ_E zwischen 1,03 und 1,20, besonders bevorzugt zwischen 1,07 und 1,09, betrieben wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Speicherkatalysator (18) in der Abgasanlage (12) stromaufwärts des Partikelfilters (14) oder des Vier-Wege-Katalysators (22) angeordnet ist, wobei der Verbrennungsmotor (10) zur Regeneration des Partikelfilters (14) oder des Vier-Wege-Katalysators (22) mit einem von einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis abweichenden Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird, wobei die bei der überstöchiometrischen Verbrennung auftretenden Stickoxidemissionen im NOx-Speicherkatalysator (18) zurückgehalten werden und ein überstöchiometrisches Abgas den NOx-Speicherkatalysator (18) durchdringt, um dem Partikelfilter (14) oder dem Vier-Wege-Katalysator (22) den zur Oxidation des zurückgehaltenen Rußes notwendigen Sauerstoff zuzuführen.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird, wobei der NOx-Speicherkatalysator (18) regeneriert wird und bei seiner Regeneration Sauerstoff freisetzt, mit welchem der im Partikelfilter (14) oder im Vier-Wege-Katalysator (22) zurückgehaltene Ruß oxidiert wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgastemperatur zur Regeneration des Partikelfilters (14) oder des Vier-Wege-Katalysators (22) durch innermotorische Maßnahmen angehoben wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die innermotorischen Maßnahmen eine Verstellung des Zündwinkels in Richtung „spät“ umfassen.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Gruppe von Brennräumen mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis und eine zweite Gruppe von Brennräumen mit einem unterstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben werden, wobei eine exotherme Umsetzung der unverbrannten Kraftstoffbestandteile in der Abgasanlage stromaufwärts des Partikelfilters oder des Vier-Wege-Katalysators erfolgt.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10) mit einer Abgasanlage (12), in der ein Partikelfilter (14) oder ein Vier-Wege-Katalysator (22) und ein NOX-Speicherkatalysator (18) angeordnet sind, sowie mit einem Steuergerät (24) mit einem maschinenlesbaren Programmcode, welches bei Ausführung des Programmcodes dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (14) oder der Vier-Wege-Katalysator (22) motornah als erste Komponente der Abgasnachbehandlung angeordnet ist.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Partikelfilter (14) oder dem Vier-Wege-Katalysator (22) und dem NOx-Speicherkatalysator (18) ein Drei-Wege-Katalysator (16) angeordnet ist.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Speicherkatalysator (18) in der Abgasanlage (12) stromaufwärts des Partikelfilters (14) oder des Vier-Wege-Katalysators (22) angeordnet ist.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass dem Partikelfilter (14) oder dem Vier-Wege-Katalysator (22) ein Drei-Wege-Katalysator (16) nachgeschaltet ist.
Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Speicherkatalysator (18) und der Partikelfilter (14) oder der NOx-Speicherkatalysator (18) und der Vier-Wege-Katalysator (22) motornah angeordnet sind.