(19)
(11)EP 3 572 634 A1

(12)EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG

(43)Veröffentlichungstag:
27.11.2019  Patentblatt  2019/48

(21)Anmeldenummer: 19175604.8

(22)Anmeldetag:  21.05.2019
(51)Int. Kl.: 
F01N 9/00  (2006.01)
F01N 13/00  (2010.01)
F02D 41/14  (2006.01)
F01N 3/10  (2006.01)
F02D 41/02  (2006.01)
(84)Benannte Vertragsstaaten:
AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR
Benannte Erstreckungsstaaten:
BA ME
Benannte Validierungsstaaten:
KH MA MD TN

(30)Priorität: 22.05.2018 DE 102018112263

(71)Anmelder: Volkswagen AG
38440 Wolfsburg (DE)

(72)Erfinder:
  • NEE, Christoph
    38446 Wolfsburg (DE)

(74)Vertreter: Gulde & Partner 
Patent- und Rechtsanwaltskanzlei mbB Wallstraße 58/59
10179 Berlin
10179 Berlin (DE)

  


(54)VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ABGASNACHBEHANDLUNG EINES VERBRENNUNGSMOTORS


(57) Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10). Zur Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors (10) ist eine Abgasanlage (20) vorgesehen, in welcher in Strömungsrichtung des Abgases des Verbrennungsmotors (10) durch die Abgasanlage (20) ein erster Drei-Wege-Katalysator (30) und stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators (30) mindestens ein weiterer Drei-Wege-Katalysator (34, 36) angeordnet ist. Dabei sind in einem Abgaskanal (38) der Abgasanlage stromaufwärts der jeweiligen Drei-Wege-Katalysatoren (30, 34, 36) jeweils mindestens eine Lambdasonde (40, 42, 44) angeordnet. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird eine Bauteiltemperatur (TK1, TK2) der Drei-Wege-Katalysatoren (30, 34, 36) ermittelt und mit einer Light-Off-Temperatur (TLOK1, TLOK2) verglichen. Dabei erfolgt die Lambdaregelung des Verbrennungsmotors (10) durch die Lambdasonde (30, 34, 36) stromaufwärts des letzten Drei-Wege-Katalysators (30, 34, 36), welcher seine Light-Off-Temperatur (TLOK1, TLOK2) erreicht hat.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Abgasnachbehandlungssystem zur Durchführung eines solchen Verfahrens vorgeschlagen.




Beschreibung


[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors sowie ein Abgasnachbehandlungssystem zur Durchführung eines solchen Verfahrens gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.

[0002] Künftige Abgasgesetzgebungen stellen hohe Anforderungen an motorische Rohemissionen und an die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Mit Einführung der Abgasgesetzgebung Euro 6d-Temp müssen die Kraftfahrzeuge die Emissionsgrenzen in einem realitätsnahen Betrieb (Real Driving Emissions) einhalten. Der Einsatz von mehrstufigen Abgasnachbehandlungskonzepten im Ottomotor-Umfeld wirft für neue Abgasvorschriften Fragen hinsichtlich der Regelbarkeit der verschiedenen Abgasnachbehandlungskomponenten sowie der Regelgüte und Betriebsbereitschaft der Abgasnachbehandlungskomponenten auf. Dabei zeigt sich, dass ein Lambdaregelungskonzept mit starr ausgelegtem Regelsystem nur suboptimale Emissionsergebnisse liefert.

[0003] Aus der DE 10 2010 002 586 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors für ein Kraftfahrzeug mit einem Abgassystem bekannt, in welchem mindestens ein Katalysator und wenigstens eine Lambdasonde angeordnet sind. Der Verbrennungsmotor wird nach einem Kaltstart zum Aufheizen des Katalysators im Wechsel mit magerem und fettem Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben. Die Lambdasonde wird nach dem Kaltstart so beheizt, dass sie nach maximal zehn Sekunden betriebsbereit ist und der Verbrennungsmotor mit einer auf einem Signal der Lambdasonde basierenden Zweipunktregelung betrieben wird. Dabei wird ein Wechsel zwischen dem Betrieb mit magerem Kraftstoff-Luft-Gemisch und mit fettem Kraftstoff-Luft-Gemisch jeweils durch das Signal der Lambdasonde ausgelöst.

[0004] Aus der DE 10 2013 201 734 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Lambdasondenanordnung im Abgassystem eines Verbrennungsmotor mit wenigstens einer ersten Lambdasonde stromaufwärts eine Katalysators und wenigstens einer zweiten Lambdasonde stromabwärts des Katalysators bekannt. Dabei ist die zweite Lambdasonde als Sprungsonde ausgebildet. Dabei wird eine Diagnose eines Kennlinienoffsets der erste Lambdasonde und gegebenenfalls eine Adaption eines Kennlinienoffsetfehlers vorgenommen. Dabei wird für die Diagnose bei aktiver Lambdaverstellung ein Wert, welcher die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators repräsentiert, und ein weiterer Wert, der die Sauerstoffaustragungsfähigkeit aus dem Katalysator repräsentiert, erfasst. Aus dem Verhältnis von Sauerstoffspeicherfähigkeit und Sauerstoffaustragungsfähigkeit wird ein Kennlinienoffset der ersten Lambdasonde berechnet.

[0005] Die EP 2 884 066 A1 offenbart ein Verfahren zur Diagnose eines Gegenstandes wie eines Katalysators oder eines Filters. Um eine besonders genaue Aussage über eine Funktion des Katalysators zu erhalten, ist dabei vorgesehen, dass zur Messung einer katalytischen Reaktivität eine Stirnseite des Katalysators mit einem Prüfmedium mit definierter Zusammensetzung wie Propangas oder Kohlenmonoxid mittels einer Einrichtung durch eine Öffnung beaufschlagt wird und an einer stromabwärts gelegenen Position eine Konzentration von zumindest einem reduzierten oder oxidierten Bestandteil des Prüfmediums nach Passieren des Katalysators gemessen wird. Eine solche Beaufschlagung mit einem definiert zusammengesetzten (Ab-)Gas ist jedoch nur im Laborbetrieb möglich. Daher eignet sich ein solches Verfahren nicht zur Optimierung der Emissionen im realen Fahrbetrieb.

[0006] Nachteilig an den bekannten Verfahren ist jedoch, dass sie das temperaturabhängige Konvertierungsverhalten der Katalysatoren nur unzureichend berücksichtigen und somit, insbesondere in einer Startphase oder nach einer Betriebsphase, in der das Abgassystem ausgekühlt ist, nur zu einer suboptimalen Abgasnachbehandlung führen.

[0007] Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das Konvertierungsverhalten der in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors angeordneten Katalysatoren zu verbessern und somit die Schadstoff-Emissionen im realen Fahrbetrieb weiter zu reduzieren.

[0008] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, dessen Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist, gelöst, wobei in der Abgasanlage in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors durch einen Abgaskanal der Abgasanlage ein erster Drei-Wege-Katalysator und stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators mindestens ein weiterer Drei-Wege-Katalysator angeordnet sind. Dabei sind in dem Abgaskanal stromaufwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators eine erste Lambdasonde und stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators und stromaufwärts des weiteren Drei-Wege-Katalysators eine weitere Lambdasonde angeordnet. Das Verfahren umfasst mindestens folgende Schritte:
  • Ermitteln der Bauteiltemperaturen des ersten und des zweiten Drei-Wege-Katalysators
  • Vergleich der Bauteiltemperaturen des ersten und des zweiten Drei-Wege-Katalysators mit den jeweiligen Light-Off-Temperaturen der Drei-Wege-Katalysatoren
  • Lambdaregelung des Verbrennungsmotors über diejenige Lambdasonde stromaufwärts des in Strömungsrichtung letzten Drei-Wege-Katalysators, welcher seine Light-Off-Temperatur erreicht hat.


[0009] Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren ist es möglich, die aktuell vorherrschenden Bauteiltemperaturen an den Drei-Wege-Katalysatoren zu berücksichtigen, um die Lambdaregelung auf die jeweils größtmögliche Regelstrecke auszudehnen und somit variabel auf die aktuell in der Abgasanlage vorherrschenden Bedingungen anzupassen.

[0010] Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterentwicklungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruchs genannten Verfahrens möglich.

[0011] In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lambdaregelung nach dem Prinzip der Eigenfrequenzregelung erfolgt. Unter einer Eigenfrequenz-Lambdaregelung ist im Kontext dieser Patentanmeldung ein Regelsystem zu verstehen, bei dem das verwendete Katalysatorvolumen vollständig bis zum Mager- oder Fettdurchbruch der jeweils vorgesteuerten Komponente durchströmt wird. Dadurch kann an der Lambdasonde stromabwärts des durchströmten Katalysatorvolumens das "Durchbrechen" der Komponente detektiert werden und erst dann auf die andere Vorsteuerung umgeschaltet werden. Dieses Vorgehen macht ein nachgelagertes Konvertervolumen durch einen weiteren Katalysator, insbesondere einen weiteren Drei-Wege-Katalysator, unverzichtbar. Wird die Lambdaregelung nach dem Prinzip der Eigenfrequenzregelung ausgeführt, so kann des kompletten Konvetervolumen des Katalysators zur Umsetzung der Emissionen genutzt werden. Ferner werden dabei Alterungshotspots im Katalysator durch die alternative bilanzierte Umschaltung vor Durchbruch vermieden, wodurch die Lebensdauer des Katalysators erhöht wird. Darüber hinaus ist ein schnelles Ausregeln der Lambdamittellage über das gesamte Abgassystem möglich, wobei ein Offset adaptiert werden kann. Dadurch ist eine besonders wirksame Abgasnachbehandlung mit minimalen Emissionen möglich.

[0012] In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors die Lambdaregelung durch die erste Lambdasonde stromaufwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators erfolgt. Nach einem Start des Verbrennungsmotors erwärmt sich zunächst der motornahe erste Katalysator und erreicht in der Regel als erste Komponenten der Abgasnachbehandlung seine Light-Off-Temperatur TLOK1. Daher ist es zielführend, in der Startphase eine optimale Konvertierung der Abgase durch den ersten Drei-Wege-Katalysator anzustreben, bis die in Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgaskanal weiter stromabwärts liegenden Abgasnachbehandlungskomponenten ebenfalls ihre Light-Off-Temperatur erreicht haben.

[0013] Bevorzugt ist dabei, wenn bei Erreichen der Light-Off-Temperatur eines weiter stromabwärts in der Abgasanlage angeordneten Drei-Wege-Katalysators die Lambdaregelung durch die Lambdasonde stromaufwärts dieses weiteren Drei-Wege-Katalysators erweitert wird. Durch eine Erweiterung der Lambdaregelung nach Erreichen der Light-Off-Temperatur TLOk2 des zweiten Drei-Wege-Katalysators können beide Drei-Wege-Katalysatoren unter möglichst idealen Betriebsbedingungen zur Konvertierung von Schadstoffen betrieben werden, sodass ein Emissionsoptimum für die Abgasnachbehandlung erreicht wird.

[0014] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Abgasnachbehandlungssystem zusätzlich einen Partikelfilter umfasst, wobei zusätzlich zu den Bauteiltemperaturen der Drei-Wege-Katalysatoren auch die Bauteiltemperatur des Partikelfilters ermittelt wird. Da ab der Emissionsgesetzgebung Euro 6 auch für Ottomotoren ein Grenzwert für die Partikelemissionen vorgeschrieben ist, kann es für eine Vielzahl von Kraftfahrzeugen mit Ottomotor notwendig sein, einen Partikelfilter in der Abgasnachbehandlung einzusetzen. Der Partikelfilter kann einen Beschichtung aufweisen, welche eine Drei-Wege-Katalytische Wirkung aufweist. Ein solcher Partikelfilter wird als Vier-Wege-Katalysator bezeichnet. Im Kontext dieser Patentanmeldung ist ein solcher Vier-Wege-Katalysator auch als Drei-Wege-Katalysator zu verstehen, da er die Funktion eines Drei-Wege-Katalysators erfüllt.

[0015] Bevorzugt ist dabei, wenn oberhalb einer Schwellentemperatur für den Partikelfilter eine Regenerationsmöglichkeit für den Partikelfilter erkannt wird. Um die im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußpartikel zu oxidieren und den Partikelfilter zu regenerieren ist ein Sauerstoffüberschuss am Partikelfilter und eine zeitgleiche Mindesttemperatur von 550°C notwendig. Wird eine solche Temperatur erkannt, kann auf einfache Art und Weise durch eine Verstellung des Verbrennungsluftverhältnisses in Richtung "mager", d.h. in Richtung eines überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses eine (Teil-)Regeneration des Partikelfilters durchgeführt werden.

[0016] Besonders bevorzugt ist, wenn bei Erkennen einer Notwendigkeit zur Regeneration des Partikelfilters und gleichzeitigem Erkennen einer Bauteiltemperatur des Partikelfilters oberhalb der Schwellentemperatur der Verbrennungsmotor mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben wird. Durch den überstöchiometrischen Betrieb wird der im Partikelfilter zurückgehaltene Ruß oxidiert.

[0017] In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass mittels des Regelkonzeptes eine überstöchiometrische Amplitude so gewählt wird, dass im relevanten Temperaturbereich eine kontinuierliche Regeneration des im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußes stattfindet. Durch die Wahl einer geeigneten Amplitude ist es möglich, dass es während der Regeneration des Partikelfilters zu keinem Magerdurchbruch durch den zweiten Drei-Wege-Katalysator und damit verbunden zu einem Anstieg der Stickoxid-Emissionen kommt. Somit kann eine im Wesentlichen emissionsneutrale Regeneration des Partikelfilters erfolgen.

[0018] Besonders bevorzugt ist dabei, wenn ausschließlich für den Partikelfilter eine entsprechend höhere Menge an Sauerstoff im Abgas bereitgestellt wird und die Drei-Wege-Katalysatoren innerhalb der Regelschwingungen mit einem im Wesentlichen stöchiometrischen Abgas durchströmt werden. Dabei kann die Amplitude der Lambdaregelung so gewählt werden, dass die Sauerstoffspeicher der Drei-Wege-Katalysatoren, insbesondere des zweiten Drei-Wege-Katalysators befüllt oder entleert werden, ohne dass es zu einem Mager- oder Fettdurchbruch durch den jeweiligen Drei-Wege-Katalysator kommt. Dadurch ist es möglich, einen Anstieg von Sekundäremissionen während der Regeneration des Partikelfilters zu vermeiden.

[0019] Erfindungsgemäß wird ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasanlage, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgases durch einen Abgaskanal der Abgasanlage ein erster Drei-Wege-Katalysator und stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators mindestens ein weiterer Drei-Wege-Katalysators angeordnet sind, vorgeschlagen, wobei stromaufwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators und stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators und stromaufwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators eine weitere Lambdasonde angeordnet ist, sowie mit einem Steuergerät, welches dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Steuergerät ausgeführt wird. Durch ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem ist es möglich, die jeweilige Betriebsbereitschaft und deren Konvertierungsleistung in Abhängigkeit von der Bauteiltemperatur zu berücksichtigen und somit eine emissionsoptimale Abgasnachbehandlung zu gewährleisten. Ferner können in der Abgasnachbehandlung besondere Betriebssituationen wie beispielsweise die Regeneration eines Partikelfilters berücksichtigt werden, um das Ergebnis der Abgasnachbehandlung weiter zu verbessern und Sekundäremissionen zu vermeiden.

[0020] In einer bevorzugten Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators und stromaufwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators ein Partikelfilter angeordnet ist. Da ab der Emissionsgesetzgebung Euro 6 auch für Ottomotoren ein Grenzwert für die Partikelemissionen vorgeschrieben ist, kann es für eine Vielzahl von Kraftfahrzeugen mit Ottomotor notwendig sein, einen Partikelfilter in der Abgasnachbehandlung einzusetzen. Somit können neben den gasförmigen Abgasbestandteilen auch die Partikel aus dem Abgas entfernt werden.

[0021] Der Partikelfilter kann eine katalytisch wirksame Beschichtung aufweisen und als Vier-Wege-Katalysator ausgebildet sein. Durch eine katalytisch wirksame Beschichtung auf dem Partikelfilter erfüllt dieser zusätzlich die Funktion eines Drei-Wege-Katalysators. Somit kann das insgesamt zur Konvertierung von Schadstoffen zur Verfügung stehende Katalysatorvolumen gesteigert werden, um insbesondere bei hoher Last zusätzliches Katalysatorvolumen zur Verfügung zu stellen und einen Anstieg der Emissionen im realen Fahrbetrieb zu vermeiden.

[0022] Bevorzugt ist dabei, wenn stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators und stromaufwärts des Partikelfilters eine zweiten Lambdasonde und stromabwärts des Partikelfilters und stromaufwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators eine dritte Lambdasonde im Abgaskanal angeordnet ist. Dadurch ist eine Lambdaregelung auf jede Drei-Wege-Katalytisch-wirksame Komponente der Abgasnachbehandlung möglich, sodass ein bezüglich der Konvertierungsleistung optimales Ergebnis erzielt werden kann.

[0023] In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Sekundärluftsystem vorgesehen, mit welche in den Auslass des Verbrennungsmotors oder in die Abgasanlage stromabwärts des Auslasses und stromaufwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators, insbesondere stromabwärts des Auslasses und stromaufwärts einer Turbine eines Abgasturboladers, Sekundärluft in den Abgaskanal einblasbar ist. Durch ein Sekundärluftsystem kann das Aufheizen der Drei-Wege-Katalysatoren nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors beschleunigt werden. Zudem kann der zur Regeneration des Partikelfilters notwendige Sauerstoff geliefert werden, ohne dass der Verbrennungsmotor mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftgemisch betrieben werden muss und die Rohemissionen des Verbrennungsmotors, insbesondere die Emissionen an Stickoxiden, ansteigen.

[0024] Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.

[0025] Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1
einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Figur 2
ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors.


[0026] Figur 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10, welcher als mittels Zündkerzen 18 fremdgezündeter Ottomotor ausgeführt ist. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Einlass 12, eine Mehrzahl von Brennräumen 14 und einen Auslass 16 auf. Der Auslass 16 des Verbrennungsmotors 10 ist mit einer Abgasanlage 20 verbunden. Der Verbrennungsmotor 10 ist vorzugsweise als mittels eines Abgasturboladers 22 aufgeladener Verbrennungsmotor 10 ausgeführt. Dazu weist der Abgasturbolader 22 eine in einem Abgaskanal 38 der Abgasanlage 20 angeordnete Turbine 26 auf, welche einen Verdichter 26 in einem nicht dargestellten Luftversorgungssystem des Verbrennungsmotors 10 antreibt und somit die Füllung der Brennräume 14 verbessert. In dem Abgaskanal 38 sind in Strömungsrichtung eines Abgases durch den Abgaskanal 38 stromabwärts der Turbine 26 ein erster Drei-Wege-Katalysator 30, stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 30 ein Partikelfilter 32 und stromabwärts des Partikelfilters 32 ein zweiter Drei-Wege-Katalysator 36 angeordnet. Der Partikelfilter 32 kann eine Drei-Wege-katalytisch-wirksame Beschichtung aufweisen und als sogenannter Vier-Wege-Katalysator 34 ausgebildet sein. Stromabwärts der Turbine 26 des Abgasturboladers 22 und stromaufwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 30 ist eine erste Lambdasonde 40 angeordnet, welche vorzugsweise als Breitband-Lambdasonde ausgebildet ist. Stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 30 und stromaufwärts des Partikelfilters 32 oder des Vier-Wege-Katalysators 34 ist eine zweite Lambdasonde 42 angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 32 oder des Vier-Wege-Katalysators 34 und stromaufwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators 36 ist im Abgaskanal 38 eine dritte Lambdasonde 44 angeordnet. Stromaufwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 30 und stromaufwärts des Partikelfilters 32 oder des Vier-Wege-Katalysators 34 ist im Abgaskanal 38 ein erster Temperatursensor 46 angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters 32 oder des Vier-Wege-Katalysators 34 und stromaufwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators 36 ist ein zweiter Temperatursensor 48 angeordnet. Die Lambdasonden 40, 42, 44 und die Temperatursensoren 46, 48 sind über Signalleitungen 52 mit einem Steuergerät 50 des Verbrennungsmotors 10 verbunden. An dem Verbrennungsmotor 10 kann ein Sekundärluftsystem 28, 54, 56 vorgesehen sein, welches eine Sekundärluftpumpe 28, eine Sekundärluftleitung 54 und ein Sekundärluftventil 56 umfasst. Die Sekundärluftleitung 54 mündet in den auslassseitigen Zylinderkopf des Verbrennungsmotors 10 oder in einen Abschnitt des Abgaskanals 38 stromaufwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 30, insbesondere stromabwärts des Auslasses 16 und stromaufwärts der Turbine 26 des Abgasturboladers 22.

[0027] Die Erfindung sieht ein Lambdaregelungskonzept vor, welches die Kenntnis über die Bauteiltemperatur (TK1, TK2, TOPF) der jeweiligen Abgasnachbehandlungskomponente 30, 32, 34, 36 berücksichtigt und seine Regelamplitude und Trimmregelung auf die größtmögliche Regelstrecke anpasst. Weiterhin finden sich die Randbedingungen der Abgasnachbehandlungskomponenten 30, 32, 34, 36 in der Regelamplitude und den Parametern der Regelstrecke wieder, sodass eine optimale Einstellung hinsichtlich des jeweils geltenden Emissionsbestpunktes erreicht wird.

[0028] Die Erfindung umfasst eine Lambdaregelung nach dem Prinzip der Eigenfrequenzregelung für ein mehrstufiges Abgasnachbehandlungssystem mit mehr als einem Katalysator. Dabei wird entweder über eine Sensorik, insbesondere über die in Fig. 1 dargestellten Temperatursensoren 46, 48 oder über ein Abgastemperaturmodell die aktuell vorherrschende Bauteiltemperatur TK1, TK2, TOPF der Abgasnachbehandlungskomponenten 30, 32, 34, 36, insbesondere der Drei-Wege-Katalysatoren 30, 36, berücksichtigt, um die Eigenfrequenz auf die jeweils größtmögliche Regelstrecke auszudehnen. Im Fall eines ausschließlich durchwärmten ersten Drei-Wege-Katalysators 30 wird mittels der ersten Lambdasonde 40 und der für diese Regelstrecke bekannten Regelstreckenparameter die Eigenfrequenz über diese Abgasstufe aufgespannt. Sobald durch das vom Kunden gewählte Fahrprofil auch die weiteren Abgasnachbehandlungskomponenten 32, 34, 36 durchwärmt sind und ihre Light-Off-Temperatur TLOK2 erreicht haben, wird die Lambdaregelung automatisch auf diese weiteren Abgasnachbehandlungskomponenten 32, 34, 36, insbesondere auf den zweiten Drei-Wege-Katalysator 36, ausgedehnt und es wird jeweils diejenige Lambdasonde 42, 44 vor der letzten aktivierten Abgasnachbehandlungskomponente zur Auswertung von Regeldurchbrüchen herangezogen. Bei einem Wegfall der Aktivierungsbedingungen einer stromabwärtigen Abgasnachbehandlungskomponente, insbesondere bei einem Abkühlen der Abgasanlage 20 oder durch gezieltes Abschalten dieser Abgasnachbehandlungskomponenten 32, 34, 36, wird die Lambdaregelung auf die minimale Regelausprägung, das heißt auf eine ausschließliche Regelung durch die erste Lambdasonde 40 zurückgefahren. Darüber hinaus können die Besonderheiten der jeweiligen Abgasnachbehandlungskomponente 30, 32, 34, 36 bei der Lambdaregelung berücksichtigt werden. Bei einem Einsatz eines, vorzugsweise motornah als erste Komponente der Abgasnachbehandlung, angeordneten HC-Adsorbers wird die Lambdaregelung so ausgelegt, dass eher überschüssige unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) während des Kaltstarts des Verbrennungsmotors 10 entstehen, da diese in dem HC-Adsorber eingelagert werden können. Eine überstöchiometrische Regelstrategie ist in diesem Falle nicht zielführend.

[0029] Bei Einsatz eines Partikelfilters 32, 34 lässt sich mittels des vorgeschlagenen Konzeptes zur Lambdaregelung eine überstöchiometrische Regelamplitude so wählen, dass im relevanten Temperaturbereich eine kontinuierliche Regeneration des im Partikelfilter 32, 34 zurückgehaltenen Rußes stattfindet. Dabei kann anhand der bekannten Streckenzeiten eine Formung der Regelamplitude derart gewählt werden, dass nur für den Partikelfilter 32, 34 eine entsprechend höhere Menge an Sauerstoff im Abgas bereitgestellt wird und für die Drei-Wege-Katalysatoren 30, 36 ein stöchiometrischer Betrieb innerhalb einer Regelschwingung möglich ist. Somit kann durch das Verfahren ein Emissionsoptimum erreicht werden.

[0030] In Fig. 2 ist ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung dargestellt. Wird der Verbrennungsmotor 10 gestartet, so werden in einem ersten Verfahrensschritt <100> die Bauteiltemperaturen TK1, TK2 der Drei-Wege-Katalysatoren 30, 36 und gegebenenfalls weiterer vorhandener Abgasnachbehandlungskomponenten 32, 34 ermittelt. In einem Verfahrensschritt <110> werden diese Temperaturen TK1, TK2 dann mit der jeweiligen Light-Off-Temperatur TLOK1, TLOK2 verglichen. Zunächst wird die Eigenfrequenzregelung auf den ersten Drei-Wege-Katalysator 30 begrenzt und ein durch die zweite Lambdasonde 42 erkannter Mager- oder Fettdurchbruch durch den ersten Drei-Wege-Katalysator 30 für die Umschaltung der Regelamplitude, d.h. für ein Umschalten zwischen einem leicht unterstöchiometrischen Betrieb auf einen leicht überstöchiometrischen Betrieb und andersrum bewertet.

[0031] In einem Verfahrensschritt <120> erwärmen sich bei fortlaufendem Betrieb des Verbrennungsmotors 10 auch die stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 30 angeordneten weiteren Abgasnachbehandlungskomponenten 32, 34, 36 und erreichen ihre Light-Off-Temperatur TLOK2. Ist die Light-Off-Temperatur TLOK2 am zweiten Drei-Wege-Katalysator 36 erreicht, so wird die Lambdaregelung auf die dritte Lambdasonde 44 und gegebenenfalls weitere Lambdasonden ausgedehnt. Beim Betrieb der Eigenfrequenzregelung über mehrere Drei-Wege-Katalysatoren 30, 36 können nun besondere Anforderungen an die Abgasnachbehandlung Berücksichtigung finden. Hierzu zählen insbesondere ein Aufheizbetrieb, die Regeneration des Partikelfilters 32, 34 oder eine Diagnosefunktion der Abgasnachbehandlungskomponenten 30, 32, 34, 36 und/oder der Lambdasonden 40, 42, 44.

[0032] Wird in einem Verfahrensschritt <130> eine Bauteiltemperatur des Partikelfilters 32, 34 von 550°C oder mehr ermittelt, so wird eine Oxidation des im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußes möglich. Dazu wird in einem Verfahrensschritt <140> zusätzlicher Sauerstoff durch ein Verstellen des Verbrennungsluftgemischs des Verbrennungsmotors 10 auf ein überstöchiometrisches Gemisch oder durch Einblasen von Sekundärluft in die Abgasanlage 20 bereitgestellt. Auf Grund der kontinuierlichen Lambdamessung und Adaption der Streckenparameter der Regelstrecke ist die Gaslaufzeit durch die Abgasanlage 20 bis zum Partikelfilter 32, 34 bekannt und kann bei der Vorsteuerung der Amplitude für den überstöchiometrischen Betriebsabschnitt berücksichtigt werden. Sobald ein Magerdurchbruch an der zweiten Lambdasonde 42 stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators 30 erkannt wird, wird in einem Verfahrensschritt <150> eine gewisse zusätzliche Sauerstoffmenge in die Abgasanlage 20 eingetragen und sorgt somit für einen Austrag der Rußmasse aus dem Partikelfilter 32, 34.

[0033] Bei der Verwendung eines HC-Adsorbers kann die Beladung des HC-Adsorbers ebenfalls bilanziert und in der Gestaltung der überstöchiometrischen Amplitude berücksichtigt werden, um den HC-Adsorber zu regenerieren

Bezugszeichenliste



[0034] 
10
Verbrennungsmotor
12
Einlass
14
Brennraum
16
Auslass
18
Zündkerze
20
Abgasanlage
22
Abgasturbolader
24
Verdichter
26
Turbine
28
Sekundärluftpumpe
30
erster Drei-Wege-Katalysator
32
Ottopartikelfilter
34
Vier-Wege-Katalysator
36
zweiter Drei-Wege-Katalysator
38
Abgaskanal
40
erste Lambdasonde
42
zweite Lambdasonde
44
dritte Lambdasonde
46
erster Temperatursensor
48
zweiter Temperatursensor
50
Steuergerät
52
Signalleitung
54
Sekundärluftleitung
56
Sekundärluftventil



Ansprüche

1. Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10), dessen Auslass (16) mit einer Abgasanlage (20) verbunden ist, wobei in der Abgasanlage (20) in Strömungsrichtung eines Abgases durch die Abgasanlage (20) ein erster Drei-Wege-Katalysator (30) und stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators (30) ein zweiter Drei-Wege-Katalysator (34, 36) angeordnet sind, wobei in einem Abgaskanal (38) der Abgasanlage (20) stromaufwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators (30) eine erste Lambdasonde (40) und stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators (30) und stromaufwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators (34, 36) ein weitere Lambdasonde (42, 44) angeordnet sind, umfassend folgende Schritte:

- Ermitteln der Bauteiltemperaturen (TK1,TK2) des ersten und zweiten Drei-Wege-Katalysators (30, 34, 36),

- Vergleich der Bauteiltemperatur (TK1, TK2) mit der jeweiligen Light-Off-Temperatur (TLOK1, TLOK2) des ersten und zweiten Drei-Wege-Katalysators (30, 34, 36) und

- Lambdaregelung des Verbrennungsmotors (10) über die Lambdasonde (40, 42, 44) stromaufwärts des letzten Drei-Wege-Katalysators (30, 34, 36), welche seine Light-Off-Temperatur erreicht hat.


 
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lambdaregelung nach dem Prinzip der Eigenfrequenzregelung erfolgt.
 
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lambdaregelung nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors (10) durch die erste Lambdasonde (40) stromaufwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators (30) erfolgt.
 
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen der Light-Off-Temperatur (TLOK2) eines weiter stromabwärts in der Abgasanlage (20) angeordneten Drei-Wege-Katalysators (34, 36) die Lambdaregelung durch die Lambdasonde stromaufwärts dieses Drei-Wege-Katalysators (34, 36) erweitert wird.
 
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgasnachbehandlungssystem (20) zusätzlich einen Partikelfilter (32, 34) umfasst, wobei zusätzlich zu den Bauteiltemperaturen (TK1, TK2) der Drei-Wege-Katalysatoren (30, 34, 36) auch die Bauteiltemperatur (TOPF) des Partikelfilters (32, 34) ermittelt wird.
 
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb einer Schwellentemperatur (TS) für den Partikelfilter (32, 34) eine Regenerationsmöglichkeit für den Partikelfilter (32, 34) erkannt wird.
 
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennen einer Notwendigkeit zur Regeneration des Partikelfilters (32, 34) und gleichzeitigem Erkennen einer Bauteiltemperatur (TOPF) oberhalb der Schwellentemperatur (TS) der Verbrennungsmotor (10) mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ > 1) betrieben wird.
 
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Regelkonzeptes eine überstöchiometrische Amplitude so gewählt wird, dass im relevanten Temperaturbereich eine kontinuierliche Regeneration des im Partikelfilter (32, 34) zurückgehaltenen Rußes stattfindet.
 
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ausschließlich für den Partikelfilter (32, 34) eine entsprechend höhere Menge an Sauerstoff im Abgas bereitgestellt wird und die Drei-Wege-Katalysatoren (30, 36) innerhalb der Regelschwingungen mit einem im Wesentlichen stöchiometrischen Abgas durchströmt werden.
 
10. Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor (10), mit einer Abgasanlage (20), in welcher in Strömungsrichtung eines Abgases durch einen Abgaskanal (38) der Abgasanlage (20) ein erster Drei-Wege-Katalysator (30) und stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators (30) mindestens ein weiterer Drei-Wege-Katalysator (34, 36) angeordnet sind, wobei stromaufwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators (30) eine erste Lambdasonde (40) und stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators (30) und stromaufwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators (34, 36) ein weitere Lambdasonde (42, 44) angeordnet sind, sowie mit einem Steuergerät (50) welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Steuergerät (50) ausgeführt wird.
 
11. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators (30) und stromaufwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators (36) ein Partikelfilter (32, 34) angeordnet ist.
 
12. Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelfilter (32) eine katalytisch wirksame Beschichtung aufweist und als Vier-Wege-Katalysator (34) ausgebildet ist.
 
13. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators (30) und stromaufwärts des Partikelfilters (32) eine zweite Lambdasonde (42) und stromabwärts des Partikelfilters (32) und stromaufwärts des zweiten Drei-Wege-Katalysators (36) eine dritte Lambdasonde (44) im Abgaskanal (38) angeordnet sind.
 
14. Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sekundärluftsystem (28, 54, 56) vorgesehen ist, mit welchem in den Auslass (16) des Verbrennungsmotors (10) oder in die Abgasanlage (20) stromabwärts des Auslasses (16) und stromaufwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators (30) Sekundärluft einblasbar ist.
 




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IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE



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