DE102011007364A1

DE102011007364A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regeneration eines Partikelfilters bei einem Y-Abgassystem

Info

Publication number: DE102011007364A1
Application number: DE102011007364A
Authority: DE
Inventors: Klaus Winkler; Thomas Zein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-04-14
Filing date: 2011-04-14
Publication date: 2012-10-18
Also published as: ITMI20120545A1; US8833061B2; FR2974147A1; FR2974147B1; US20120260631A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration mindestens einer Abgasnachbehandlungskomponente zum Filtern von Rußpartikeln bei einer Brennkraftmaschine mit einer ersten Gruppe von Zylindern, deren Abgase durch eine erste Abgasführung geführt werden und deren Kraftstoff/Luft-Gemischverhältnis über ein erstes Kraftstoffzumesssystem, angesteuert über eine Steuereinheit, durch einen ersten Regelkreis zur Einstellung eines ersten Lambda-Wertes auf Basis des Signals einer ersten Abgassonde, die in Strömungsrichtung des Abgases vor einem Katalysator in der Abgasführung angeordnet ist, eingestellt wird, und mit mindestens einer weiteren Gruppe von Zylindern, deren Abgase durch eine weitere Abgasführung geführt werden und deren Kraftstoff/Luft-Gemischverhältnis über ein weiteres Kraftstoffzumesssystem durch einen weiteren Regelkreis zur Einstellung eines weiteren Lambda-Wertes auf Basis des Signals einer weiteren Abgassonde, die in Strömungsrichtung des Abgases vor einem Katalysator in der Abgasführung angeordnet ist, wobei die getrennten Abgasführungen nach den Katalysatoren zu einer gemeinsamen Abgasführung zusammengeführt werden, in der ein gemeinsamer Katalysator angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Abgasnachbehandlungskomponenten zum Filtern der Rußpartikel jeweils in den noch getrennten Abgasführungen angeordnet sind und zum Aufheizen dieser Komponente für die erste Zylinder-Gruppe innermotorische Maßnahmen durchgeführt und anschließend mittels einer Lambda-Modulation der Lambda-Wert in der dieser Zylinder-Gruppe zugeordneten ersten Abgasführung auf einen Lambdawert λ > 1 eingestellt wird, wobei gleichzeitig in der weiteren Abgasführung ein Lambdawert λ < 1 eingestellt wird, oder dass die Abgasnachbehandlungskomponente zum Filtern der Rußpartikel in der gemeinsamen Abgasführung angeordnet ist und die Regeneration der partikelfilternden Komponente mittels innermotorischer Maßnahmen und einer aufeinander abgestimmten Lambdamodulation in beiden Abgasführungen durchgeführt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit dem vorgestellten Verfahren und der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens kann eine Betriebsstrategie insbesondere für Otto-Motoren mit einem Y-Abgassystem bereitgestellt werden, mit der eine besonders emissionsarme Regeneration der rußfilternden Komponenten ermöglicht wird. Zudem ergeben sich Vorteile bei der Entschwefelung von NOx-Speicherkatalysatoren, wenn diese mit den rußfilternden Komponenten kombiniert eingesetzt werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration mindestens einer Abgasnachbehandlungskomponente zum Filter von Rußpartikeln bei einer Brennkraftmaschine mit einer ersten Gruppe von Zylindern, deren Abgase durch eine erste Abgasführung geführt werden und deren Kraftstoff/Luft-Gemischverhältnis über ein erstes Kraftstoffzumesssystem, angesteuert über eine Steuereinheit, durch einen ersten Regelkreis zur Einstellung eines ersten Lambda-Wertes auf Basis des Signals einer ersten Abgassonde, die in Strömungsrichtung des Abgases vor einem Katalysator in der Abgasführung angeordnet ist, eingestellt wird, und mit mindestens einer weiteren Gruppe von Zylindern, deren Abgase durch eine weitere Abgasführung geführt werden und deren Kraftstoff/Luft-Gemischverhältnis über ein weiteres Kraftstoffzumesssystem durch einen weiteren Regelkreis zur Einstellung eines weiteren Lambda-Wertes auf Basis des Signals einer weiteren Abgassonde, die in Strömungsrichtung des Abgases vor einem Katalysator in der Abgasführung angeordnet ist, wobei die getrennten Abgasführungen nach den Katalysatoren zu einer gemeinsamen Abgasführung zusammengeführt werden, in der ein gemeinsamer Katalysator angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Bei Brennkraftmaschinen, welche nach dem Otto-Prinzip arbeiten, sind nach den derzeit gültigen EU-Grenzwerten noch keine Partikelfilter erforderlich. Die Abgasnachbehandlung der Schadstoffkomponenten, wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NO_x), erfolgt bei Homogenkonzepten über einen Dreiwegekatalysator. Bei Magerkonzepten ist ein Speicherkatalysator für das NO_x nachgeschaltet. Auch hier gibt es aber einen motornah angeordneten Dreiwegekatalysator, der im Homogenbetrieb die Dreiwegefunktion erfüllt und im Magerbetrieb zur Oxidation von CO und HC benötigt wird. Für Homogenkonzepte ist dem Vorkatalysator oftmals ein Hauptkatalysator nachgeschaltet, der auch baulich getrennt, beispielsweise im Unterboden des Fahrzeuges, angeordnet sein kann.
Zukünftig strengere Abgasgrenzwerte bezüglich Partikelemissionen, wie dies beispielsweise die EU-Grenzwerte gemäß der Abgasvorschrift EU6 ab 2014 fordem, machen es erforderlich, dass auch vermehrt Otto-Brennkraftmaschinen mit einem Partikelfilter ausgerüstet werden müssen. Der Abgasstrom wird hierbei, identisch zum dieselmotorischen Einsatz, durch den im Abgasstrang angeordneten Partikelfilter (GPF = gasoline partikel filter) geleitet, der die im Abgas befindlichen Feststoffpartikel abscheidet und im Filtersubstrat zurück hält. Die im Filter eingelagerte Rußmasse führt allerdings zu einem stetigen Zusetzen des Filters und somit zu einer Erhöhung des Abgasgegendruckes, der sich negativ auf die Motorleistung und den Kraftstoffverbrauch auswirkt.
Die Partikelfilterwirkung beruht auf einem porösen Keramiksubstrat mit wechselseitig verschlossenen Kanälen, die vom Abgasstrom zwingend durchströmt werden müssen. Die Rußpartikel werden hierbei an der Oberfläche und in den Wänden (Tiefenfilteration) des porösen Substrats abgeschieden. Diese Partikelfilter setzen sich während des Betriebs mit Ruß zu und müssen daher in bestimmten zeitlichen Abständen regeneriert werden. Die maximale Rußbeladung des Partikelfilters hängt dabei entscheidend vom Substratmaterial des Filters, wie beispielsweise der Porosität, der Zelldichte, und der Geometrie der Kanäle, und insbesondere von der Schmelztemperatur sowie von der thermischen Kapazität ab. Das Gleiche gilt auch für katalytisch beschichte Partikelfiltersubstrate, die neben einer Dreiwege-Katalysatorwirkung auch Rußpartikel zurückhalten können und daher auch als 4-Wege-Katalysatoren (FWC = four way catalist) bezeichnet werden.
Konventionelle Regenerationsstrategien gehen von speziellen Einspritzprofilen und Luftdurchsätzen aus, so dass eine erhöhte Temperatur im Abgaskanal der Brennkraftmaschine erzielt wird und bei Sauerstoffüberschuss die Oxidation des Rußes erfolgen kann. Hierfür werden eine Vielzahl von Maßnahmen ergriffen, da die notwendigen hohen Abgastemperaturen von 600°C bis 650°C im normalen Betrieb nur nahe der Volllast erreicht werden.
Bei einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine werden die Zylinder häufig in zwei Zylinderbänken angeordnet. Die für die Verbrennung erforderliche Luft wird sämtlichen Zylindern über ein gemeinsames Ansaugrohr zugeführt. Dort kann eine Luftmengenmesseinrichtung vorgesehen sein, mit der die über das Ansaugrohr angesaugte Luftmasse messbar ist. Ausgangsseitig sind an die beiden Zylinderbänke separate Abgasführungen angeschlossen, welche auch als Abgasbänke bezeichnet werden. Jeder dieser Abgasführungen ist ein Abgassensor zugeordnet, der zur Messung der Zusammensetzung des Abgases vorgesehen ist. Bei einem Benzin-Motor sind beide Abgassensoren üblicherweise als Lambdasonde realisiert. Die Abgasnachbehandlung erfolgt dabei üblicherweise durch motornah in den separaten Abgasführungen angeordnete Katalysatoren oder mit einem in einer gemeinsamen Abgasführung angeordneten Katalysator, wobei die separaten Abgasführungen in der Regel erst am Unterboden des Fahrzeuges zu dem gemeinsamen Abgasstrang zusammengeführt sind. Man spricht in diesem Fall von so genannten Y-Systemen.
In Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der in den Abgasführungen der beiden Zylinderbänke angeordneten Lambdasonden werden von einem Steuergerät die in die beiden Zylinderbänke einzuspritzenden Kraftstoffmengen jeweils separat berechnet, wobei in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der beiden Lambdasonden jeweils ein Regelfaktor berechnet wird, der die Einspritzung von Kraftstoff in die jeweils zugehörige Zylinderbank beeinflusst. Dieser Regelfaktor wird üblicherweise mit Hilfe eines so genannten Lambda-Reglers erzeugt, wobei jeder der beiden Zylinderbänke jeweils ein separater Lambda-Regler zugeordnet ist.
In der DE 10 2006 003 487 A1 wird ein Verfahren zur Lambda-Modulation bei einer Brennkraftmaschine mit einer ersten Gruppe von Zylindern beschrieben, deren Abgase durch eine erste Abgasführung geführt werden und deren Kraftstoff/Luft-Gemischverhältnis über ein Kraftstoffzumesssystem, angesteuert über eine Steuereinheit, durch einen ersten Regelkreis zur Einstellung eines ersten Lambda-Wertes auf Basis des Signals einer ersten Abgassonde, die in Strömungsrichtung des Abgases vor einem Katalysator der Abgasführung angeordnet ist, eingestellt wird, und mit mindestens einer weiteren Gruppe von Zylindern, deren Abgase durch eine weitere Abgasführung geführt werden und deren Kraftstoff/Luft-Gemischverhältnis über ein Kraftstoffzumesssystem durch einen weiteren Regelkreis zur Einstellung eines weiteren Lambda-Wertes auf Basis des Signals einer weiteren Abgassonde, die in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Katalysator oder einem weiteren separaten Katalysator der Abgasführung angeordnet ist, eingestellt wird, wobei die Lambda-Modulation der Lambda-Werte für die erste Abgasführung und die der weiteren Abgasführung synchronisiert werden. Mit diesem Verfahren kann erreicht werden, dass beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit mehreren Abgasbänken eine Variation des Motorenmoments reduziert wird und damit der Fahrkomfort verbessert wird. Weiterhin kann damit bei mehreren Abgasbänken, die vor einem gemeinsamen Katalysator zusammengeführt werden (Y-Systeme), die Katalysator-Diagnose verbessert werden.
Bei Systemen mit einem NO_x-Speicherkatalysator (NSC) ist es erforderlich, den NSC in regelmäßigen Abständen zu entschwefeln, da dieser aufgrund des Schwefelgehaltes im Benzin mit SO_x zugesetzt wird und somit seine NO_x-Speicherfähigkeit verringert wird. Für die Entschwefelung des NCS ist es daher notwendig, hohe Abgastemperaturen zu erzeugen und Fettgas in den Katalysator einzutragen. Bei einer Y-Anordnung kann dies durch ein so genanntes Lambda-Split-Verfahren erreicht werden, wie dies beispielsweise auch in der DE 10 2006 003 487 A1 verwendet wird. Dabei wird die eine Abgasbank fett betrieben, die andere leicht mager, so dass in Summe, nach der Zusammenführung, ein leicht fettes Abgas entsteht. Auf diese Weise treffen unverbrannte bzw. teilverbrannte reaktionsfähige Bestandteile (HC und CO) und Sauerstoff im NSC zusammen. Dies führt zur exothermen Reaktion und somit zur Temperaturerhöhung im Katalysator. Da das Abgas gleichzeitig im Mittel leicht fett ist, wird das angelagerte SO_x freigesetzt.
Die Regeneration eines Partikelfilters bei Otto-Motoren (GPF) oder auch eines beschichteten Partikelfilters (4-Wege-Katalysator oder FWC) erfordert neben einer hohen Abgastemperatur auch einen Sauerstoffüberschuß. Somit muss während der Regeneration von der bei Otto-Brennkraftmaschinen üblichen λ = 1 Betriebsstrategie abgewichen und ein mageres Lambda gefahren werden. Das jedoch ist gleichbedeutend mit einem NO_x-Durchbruch, da der Dreiwegekatalysator oder auch der beschichtete Partikelfilter im Mageren kein NO_x konvertieren kann.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereit zu stellen, mit dem einerseits eine emissionsarme Regeneration des Partikelfilters und andererseits, bei Systemen mit einem NOx-Speicherkatalysator, eine gemeinsame Regenerationsstrategie durchgeführt werden kann.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine zur Durchführung des Verfahrens entsprechende Vorrichtung bzw. Anordnung der abgasreinigenden Komponenten bereitzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 8 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht dabei vor, dass die Abgasnachbehandlungskomponenten zum Filtern der Rußpartikel jeweils in den noch getrennten Abgasführungen angeordnet sind und zum Aufheizen dieser Komponente für die erste Zylinder-Gruppe innermotorische Maßnahmen durchgeführt und anschließend mittels einer Lambda-Modulation der Lambda-Wert in der dieser Zylinder-Gruppe zugeordneten ersten Abgasführung auf einen Lambdawert λ > 1 eingestellt wird, wobei gleichzeitig in der weiteren Abgasführung ein Lambdawert λ < 1 eingestellt wird. Alternativ ist die Abgasnachbehandlungskomponente zum Filtern der Rußpartikel in der gemeinsamen Abgasführung angeordnet und die Regeneration der partikelfilternden Komponente wird mittels innermotorischer Maßnahmen und einer aufeinander abgestimmten Lambdamodulation in beiden Abgasführungen durchgeführt. Mit dem vorgestellten Verfahren kann eine Betriebsstrategie bereitgestellt werden, mit der eine besonders emissionsarme Regeneration der rußfilternden Komponenten ermöglicht wird, da ein NO_x-Durchbruch, der ansonsten bei einer mageren Betriebsweise des Katalysators auftreten kann, vermieden werden kann. Trotz der Regenerationsphasen innerhalb der verschiedenen Abgasführungen kann mit dieser Maßnahme ein für den gemeinsamen Katalysator optimaler Lambdabereich gewährleistet werden.
Eine besonders wirkungsvolle Reduzierung des Partikelausstoßes kann erzielt werden, wenn als partikelfilternde Komponenten Partikelfilter oder 4-Wege-Katalysatoren eingesetzt werden, wobei die 4-Wege-Katalysatoren als katalytisch beschichtete Filtersubstrate aus Keramik ausgeführt sein können. Partikelfilter sind bereits seit langer Zeit als Diesel-Partikelfilter bekannt und sind inzwischen technisch mehrfach optimiert worden. 4-Wege-Katalysatoren basieren auf diesen Partikelfilter-Substraten.
Eine optimale Konvertierung der Schadstoffe NO_x, CO und HC im Abgas kann für den gemeinsamen Katalysator gewährleistet werden, wenn bei der Regeneration der partikelfilternden Komponenten in den getrennten Abgasführungen die Lambda-Modulation innerhalb der Abgasführungen derart synchronisiert wird, dass nach der Zusammenführung des Abgases in die gemeinsame Abgasführung vor dem gemeinsamen Katalysator ein Lambdawert von gleich oder nahe 1 eingestellt wird.
Wird zusätzlich ein weiterer Lambda-Regelkreis mit einer weiteren Abgassonde, welche in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem gemeinsamen Katalysator angeordnet ist, verwendet, kann sehr genau das Gesamtgemisch optimal auf den Konvertierungspunkt des Katalysators eingeregelt werden. Als Abgassonde hinter dem gemeinsamen Katalysator kann eine Sprungsonde eingesetzt werden.
Als besonders vorteilhafte Anordnung für eine effektive Schadstoffreduzierung hat sich ergeben, wenn als gemeinsamer Katalysator im gemeinsamen Abgasstrang ein 3-Wege-Katalysator und als Katalysatoren in den getrennten Abgassträngen jeweils ein 4-Wegekatalysator oder eine Kombination aus jeweils einem 3-Wege-Katalysator und jeweils einem, diesen nachgeschalteten Partikelfilter verwendet werden. Neben den Stickoxiden, Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffen können mit dieser Auslegung auch effektiv Rußpartikel beseitigt werden, so dass auch zukünftige Abgasgrenzwerte bzw. Abgasvorschriften sicher eingehalten werden können.
Eine besonders effektive NO_x-Reduzierung kann in Verbindung mit einem NO_x-Speicherkatalysator (NSC) erzielt werden. Eine besonders wirkungsvolle Anordnung ergibt sich, wenn die partikelfilternden Komponenten in dem Abgasnachbehandlungssystem zumindest teilweise mit mindestens einem NO_x-Speicherkatalysator kombiniert werden. Da sowohl die physikalischen Randbedingungen als auch die Regenerationshäufigkeit bei beiden Systemen (NSC und GPF) ähnlich sind, ist es vorteilhaft, wenn die Regeneration der partikelfilternden Komponenten und die Entschwefelung des NO_x-Speicherkatalysators in einer zeitlichen Phase zusammengefasst und aufeinander abgestimmt wird. Zusätzliche emissions- und verbrauchserhöhende Regenerationsphasen werden dadurch vermieden.
Dazu wird in bevorzugter Verfahrensvariante innerhalb dieser gemeinsamen Regenerationsphase zunächst die Entschwefelung des NO_x-Speicherkatalysators durchgeführt, in dem durch innermotorische Maßnahmen der NO_x-Speicherkatalysator aufgeheizt und ein Lambdawert λ < 1 eingestellt wird. Damit kann eine wirkungsvolle Entschwefelung des NO_x-Speicherkatalysators erzielt werden. Nach erfolgter Entschwefelung des NO_x-Speicherkatalysators wird ein Lambdawert λ > 1 zur Regeneration der partikelfilternden Komponenten eingestellt, so dass mit dem Sauerstoffüberschuß im Abgas die Rußpartikel oxidiert werden können.
Wird die Häufigkeit der Regenerationsphasen für die partikelfilternden Komponenten und den NO_x-Speicherkatalysator abhängig von einer aus einem Modell prognostizierten oder mittels Partikelsensoren gemessen Rußbeladung und/oder abhängig von einem Schwefelgehalt des verwendeten Kraftstoffes bestimmt, kann eine bedarfsweise Regeneration gewährleistet und ein erhöhter Kraftstoffverbrauch oder die Anzahl der Phasen mit einer etwaigen Einbuße beim Fahrkomfort minimiert werden.
Eine bevorzugte Verwendung des Verfahrens, wie es mit seinen Varianten zuvor beschrieben wurde, sieht den Einsatz bei als Otto-Motoren ausgelegten Brennkraftmaschinen vor, welche über eine Y-Konfiguration des Abgassystems verfügen, in dem Partikelfilter oder mit einem kombinierten System aus Filter und 3-Wege-Katalysator eingesetzt werden. Dies gilt für homogene und auch für magere Betriebskonzepte der Brennkraftmaschine. Bei homogenen Konzepten kann dieses Verfahren sowohl bei saugrohr- als auch bei direkteinspritzenden Motoren eingesetzt werden. Damit können insbesondere für Otto-Motoren die schärferen europäischen Abgasgrenzwerte nach EU6 eingehalten werden.
Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Abgasnachbehandlungskomponenten zum Filtern der Rußpartikel jeweils in den noch getrennten Abgasführungen angeordnet sind oder in der gemeinsamen Abgasführung angeordnet sind und mit der Steuereinheit zum Aufheizen dieser Komponenten innermotorische Maßnahmen getrennt für die Zylinder-Gruppen vorgebbar und ein für beide Abgasführungen getrennte Lambda-Modulationen der Lambda-Wert in den beiden Abgasführungen einstellbar sind, wobei diese zueinander synchronisiert sind, oder die Regeneration der partikelfilternden Komponente in der gemeinsamen Abgasführung mittels innermotorischer Maßnahmen und einer aufeinander abgestimmten Lambdamodulation in beiden Abgasführungen durchführbar ist, wobei die Steuereinheit Einrichtungen zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens mit seinen Varianten aufweist.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die partikelfilternden Komponenten zumindest teilweise mit mindestens einem, dem Partikelfilter üblicherweise vorgeschalteten, NO_x-Speicherkatalysator kombiniert sind, womit sich neben der Reduzierung Partikelkonzentration auch ein effektiver Stickoxid-Rückhalt ergibt.
Die Funktionalität des Verfahrens mit seinen Varianten kann softwaremäßig als Add-On zu einer konventionellen Partikelfilter-Diagnose bzw. OBD und/oder Regenerationsstrategie innerhalb der Steuereinheit implementiert sein. Der applikative Aufwand ist daher gering und kann durch ein Software-Update einfach nachgerüstet werden. Die Steuereinheit kann dabei integraler Bestandteil einer übergeordneten Motorsteuerung (z. B. innerhalb der Engine-Control-Unit ECU) sein.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 in einer schematischen Darstellung das technische Umfeld, in dem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann,
2 eine beispielhafte Anordnung für ein Y-Abgassystem mit unterschiedlichen Katalysatoren,
3 eine weitere beispielhafte Anordnung des Y-Abgassystems mit Katalysatoren und Partikelfiltern und
4 eine weitere beispielhafte Anordnung des Y-Abgassystems mit Katalysatoren, einem NO_x-Speicherkatalysator und einem Partikelfilter.
1 zeigt in schematischer Darstellung das technische Umfeld, in dem die Erfindung eingesetzt werden kann. Dargestellt sind die Hauptkomponenten einer als Biturbo-Achtzylinder-Motor ausgeführten Brennkraftmaschine 1 mit einem zweiflutigen Abgassystem, wobei in dem Ausführungsbeispiel die Abgasströme von jeweils 4 Zylindern in eine Abgasführung (Abgasbank) zusammengeführt sind.
Als Hauptkomponenten der Brennkraftmaschine 1 sind ein Motorblock 10, eine mit einer Regeleinrichtung zusammenwirkende Steuereinheit 120 und zwei Abgasführungen 20, 70, die jeweils mindestens einen Katalysator 40, 90 aufweisen, gezeigt. Im gezeigten Beispiel ist in den beiden Abgasführungen 20, 70 vor den Katalysatoren 40, 90 jeweils mindestens eine Abgassonde 50, 100 angeordnet, die als stetig arbeitende Sonde oder als so genannte Sprungsonde ausgeführt sein kann. Die Abgassonden 50, 100 sind mittels Signalleitungen 51, 101 mit der Steuereinheit 120 zur Regelung eines Lambda-Wertes verbunden, wobei die Steuereinheit 120 mittels Signalleitungen 12, 14 mit Kraftstoffzumesssystemen 11, 13 am Motorblock 10 verbunden ist. Die Kraftstoffzumesssysteme 11, 13 sind im gezeigten Beispiel jeweils für 4 Zylinder ausgelegt und werden üblicherweise von einer hier nicht dargestellten übergeordneten Motorsteuerung angesteuert. Mit den Kraftstoffzumesssystemen 11, 13 und einer Luftmengenmesseinrichtung 130, die mittels einer Signalleitung 131 mit der Steuereinheit 120 verbunden ist, lässt sich ein Kraftstoff/Luft-Gemisch derart einstellen, dass in den Abgasführungen 20, 70 mittels der Regelkreise 50, 120, 11 bzw. 100, 120, 13 jeweils ein bestimmter Lambda-Wert eingestellt werden kann.
Zur Leistungssteigerung ist im gezeigten Ausführungsbeispiel zusätzlich vorgesehen, dass in den Abgasführungen 20, 70 vor den Abgassonden 50, 100 und den Katalysatoren 40, 90 jeweils ein Abgasturbolader 30, 80 angeordnet ist. Die Steuereinheit 120 ist mittels Signalleitungen 61, 111 mit Temperatursensoren 60, 110 in der einen Abgasführung 20 vor dem zugeordneten Abgasturbolader 30 und in der anderen Abgasführung 70 vor dem diesem zugeordneten Abgasturbolader 80 verbunden, wobei die Temperatursensoren 60, 110 zum Schutz der Abgasturbolader 30, 80 vor überhöhten Temperaturen dienen.
Ausgehend von dieser Anordnung können zwei Abgasbänke vor einem gemeinsamen Katalysator 150 (Unterboden-Katalysator) als so genannte Y-Zusammenfügung zu einer gemeinsamen Abgasführung 140 zusammen geführt werden, wie dies ebenfalls die 2, 3 und 4 schematisch zeigen. Hinter dem gemeinsamen Katalysator 150 ist im gezeigten Beispiel eine weitere Abgassonde 160 angeordnet, welcher über eine entsprechende Signalleitung 161 ebenfalls mit der Steuereinheit 120 verbunden ist.
In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung, wie dies 2 zeigt, liegt ein Y-Abgassystem vor, in dem in jeder der zunächst unabhängigen Abgasführungen 20, 70 des Motorblocks 10 der Brennkraftmaschine 1 ein 4-Wege-Katalysator 170 (FWC) (entspricht Katalysator 40, 90 in 1) und nach der Zusammenführung zu der gemeinsamen Abgasführung 140 ein gemeinsamer 3-Wege-Katalysator 180 (entsprechend Katalysator 150 in 1) angeordnet ist.
Eine Alternative dazu zeigt 3, in der in jeder der zunächst unabhängigen Abgasführungen 20, 70 des Motorblocks 10 in Strömungsrichtung des Abgases ein als Vorkatalysator ausgelegter 3-Wege-Katalysator 180 und ein nachgeschalteter Partikelfilter 190 (GPF) sowie nach der Zusammenführung zu der gemeinsamen Abgasführung 140 ein gemeinsamer 3-Wege-Katalysator 180 angeordnet ist.
Ist einer der 4-Wege-Katalysatoren 170 (FWC) oder Partikelfilter 190 (GPF) derart mit Partikeln beladen, dass eine Regeneration ausgelöst werden muss, so wird, wie dies das erfindungsgemäße Verfahren vorsieht, zunächst eine der Abgasführungen 20 mit dem 4-Wege-Katalysator 170 oder mit der Kombination 3-Wege-Katalysator 180/Partikelfilter 190 durch eine Katalysator-Heizmaßnahme, beispielsweise durch eine verspätet eingeleitete Zündung (Zündwinkel-Spätziehen), aufgeheizt. Anschließend wird das Gemisch dieser Bank derart verstellt, dass sich insgesamt ein mageres Lambda (λ > 1) nur auf dieser Abgasbank einstellt und somit ausreichend Sauerstoff für den Abbrand der Rußpartikel zur Verfügung steht. Zeitgleich wird in der anderen Abgasführung 70 ein fettes Lambda (λ < 1) derart eingestellt, dass sich nach der Y-Zusammenführung in Summe in der gemeinsamen Abgasführung 140 ein Lambda λ = 1 einstellt.
Um die einzelnen Lambdawerte innerhalb der beiden Abgasführungen 20, 70 möglichst gut aufeinander abstimmen zu können, ist der Einsatz jeweils einer als Breitband-Lambdasonde (LSU) ausgeführten Abgassonde 50, 100 (vergleiche 1) vor den 4-Wege-Katalysatoren 170 oder den 3-Wege-Katalysatoren 180 vorteilhaft. Mit Hilfe dieser Abgassonden 50, 100 und einer Lambdaregelung können die von λ = 1 verschiedenen Lambdawerte innerhalb beider Abgasführungen 20, 70 exakt eingeregelt werden. Zusätzlich kann ein weiterer Regelkreis auf Basis der als Sprungsonde ausgeführten Abgassonde 160 (vergleiche 1) hinter dem als Hauptkatalysator 150 ausgeführten 3-Wege-Katalysator 180 in der gemeinsamen Abgasführung 140 zum Einsatz kommen, um das Gesamtgemisch optimal auf den Konvertierungspunkt der Katalysatoren einstellen zu können.
4 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, bei der in den zunächst getrennten Abgasführungen 20, 70 des Motorblocks 10 jeweils ein 3-Wege-Katalysator 180 (TWC) vor der Y-Zusammenführung und ein NO_x-Speicherkatalysator 200 (NSC) mit nachgeschaltetem Partikelfilter 190 nach der Y Zusammenführung in der gemeinsamen Abgasführung 140 angeordnet sind. Alternativ können die beiden Vorkatalysatoren 40, 90 bzw. 180 und/oder der als Hauptkatalysator 150 ausgeführte 3-Wege-Katalysator 180 auch jeweils als kombinierter NO_x-Speicherkatalysator 200 mit 3-Wege-Funktionalität ausgeführt sein, wie dies in 4 schematisch zeigt.
Erfindungsgemäß wird die Regeneration des Partikelfilters 190, d. h. das Abbrennen der eingespeicherten Partikel, an die Entschwefelung des NO_x-Speicherkatalysators 200 (NSC) gekoppelt. Dazu sind einerseits für die Entschwefelung des NSC hohe Abgastemperaturen und ein Fetteintrag und andererseits für die Regeneration des Partikelfilters (GPF) ebenfalls hohe Abgastemperaturen, aber gleichzeitig ein Magergas zur Verbrennung der Rußpartikel erforderlich.
Was die Regenerationshäufigkeit angeht, ist eine Entschwefelung des NSC je nach Schwefelgehalt des Kraftstoffs und Größe des NO_x-Speicherkatalysators 200 alle ca. 500 km bis 2000 km erforderlich. Die aktive Regeneration des Benzin-Partikelfilters (GPF) muss je nach Rußemission des Motors, Auslegung des Partikelfilters und Betriebsweise des Fahrzeugs (Abgastemperatur, Schubphasen) in der Größenordnung von ca. 500 km bis einige 1000 km stattfinden.
Da sowohl die physikalischen Randbedingungen als auch die Regenerationshäufigkeit bei beiden Systemen (NSC und GPF) ähnlich sind, ist es vorteilhaft, beide Regenerationen in einer Phase zusammenzufassen und diese aufeinander abzustimmen. Dazu wird zunächst durch ein in Summe fettes Gemisch der NSC aufgeheizt und entschwefelt. Im Anschluss daran wird das Gemisch abgemagert, um den GPF zu regenerieren. Diese Betriebsstrategie kann grundsätzlich auch bei einflutigen Abgassystemen, in denen ein NSC mit einem GPF kombiniert in der Abgasführung eingesetzt wird, angewendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006003487 A1 [0009, 0010]

Claims

Verfahren zur Regeneration mindestens einer Abgasnachbehandlungskomponente zum Filter von Rußpartikeln bei einer Brennkraftmaschine (1) mit einer ersten Gruppe von Zylindern, deren Abgase durch eine erste Abgasführung (20) geführt werden und deren Kraftstoff/Luft-Gemischverhältnis über ein erstes Kraftstoffzumesssystem (11), angesteuert über eine Steuereinheit (120), durch einen ersten Regelkreis zur Einstellung eines ersten Lambda-Wertes auf Basis des Signals einer ersten Abgassonde (50), die in Strömungsrichtung des Abgases vor einem Katalysator (40) in der Abgasführung (20) angeordnet ist, eingestellt wird, und mit mindestens einer weiteren Gruppe von Zylindern, deren Abgase durch eine weitere Abgasführung (70) geführt werden und deren Kraftstoff/Luft-Gemischverhältnis über ein weiteres Kraftstoffzumesssystem (13) durch einen weiteren Regelkreis zur Einstellung eines weiteren Lambda-Wertes auf Basis des Signals einer weiteren Abgassonde (100), die in Strömungsrichtung des Abgases vor einem Katalysator (90) in der Abgasführung (70) angeordnet ist, wobei die getrennten Abgasführungen (20, 70) nach den Katalysatoren (40, 90) zu einer gemeinsamen Abgasführung (140) zusammengeführt werden, in der ein gemeinsamer Katalysator (150) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungskomponenten zum Filter der Rußpartikel jeweils in den noch getrennten Abgasführungen (20, 70) angeordnet sind und zum Aufheizen dieser Komponente für die erste Zylinder-Gruppe innermotorische Maßnahmen durchgeführt und anschließend mittels einer Lambda-Modulation der Lambda-Wert in der dieser Zylinder-Gruppe zugeordneten ersten Abgasführung (20) auf einen Lambdawert λ > 1 eingestellt wird, wobei gleichzeitig in der weiteren Abgasführung (70) ein Lambdawert λ < 1 eingestellt wird, oder dass die Abgasnachbehandlungskomponente zum Filter der Rußpartikel in der gemeinsamen Abgasführung (140) angeordnet ist und die Regeneration der partikelfilternden Komponente mittels innermotorischer Maßnahmen und einer aufeinander abgestimmten Lambdamodulation in beiden Abgasführungen (20, 70) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als partikelfilternde Komponenten Partikelfilter (190) oder 4-Wege-Katalysatoren (170) eingesetzt werden, wobei die 4-Wege-Katalysatoren (170) als katalytisch beschichtete Filtersubstrate aus Keramik ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Regeneration der partikelfilternden Komponenten in den getrennten Abgasführungen (20, 70) die Lambda-Modulation innerhalb der Abgasführungen (20, 70) derart synchronisiert wird, dass nach der Zusammenführung des Abgases in die gemeinsame Abgasführung (140) vor dem gemeinsamen Katalysator (150) ein Lambdawert von gleich oder nahe 1 eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein weiterer Lambda-Regelkreis mit einer weiteren Abgassonde (160), welche in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem gemeinsamen Katalysator (150) angeordnet ist, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als gemeinsamer Katalysator (150) im gemeinsamen Abgasstrang (140) ein 3-Wege-Katalysator (180) und als Katalysatoren (40, 90) in den getrennten Abgassträngen (20, 70) jeweils ein 4-Wegekatalysator (170) oder eine Kombination aus jeweils einem 3-Wege-Katalysator (180) und jeweils einem, diesen nachgeschalteten Partikelfilter (190) verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die partikelfilternden Komponenten in dem Abgasnachbehandlungssystem zumindest teilweise mit mindestens einem NO_x-Speicherkatalysator (200) kombiniert werden und die Regeneration der partikelfilternden Komponenten und die Entschwefelung des NO_x-Speicherkatalysators (200) in einer zeitlichen Phase zusammengefasst und aufeinander abgestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dieser gemeinsamen Regenerationsphase zunächst die Entschwefelung des NO_x-Speicherkatalysators (200) durchgeführt wird, in dem durch innermotorische Maßnahmen der NO_x-Speicherkatalysator (200) aufgeheizt und ein Lambdawert λ < 1 eingestellt und nach erfolgter Entschwefelung des NO_x-Speicherkatalysators (200) ein Lambdawert λ > 1 zur Regenation der partikelfilternden Komponenten eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Häufigkeit der Regenerationsphasen für die partikelfilternden Komponenten und den NO_x-Speicherkatalysator (200) abhängig von einer aus einem Modell prognostizierten oder mittels Partikelsensoren gemessen Rußbeladung und/oder abhängig von einem Schwefelgehalt des verwendeten Kraftstoffes bestimmt wird.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 bei als Otto-Motoren ausgelegten Brennkraftmaschinen (1), welche über eine Y-Konfiguration des Abgassystems verfügen.
Vorrichtung zur Regeneration mindestens einer Abgasnachbehandlungskomponente zum Filtern von Rußpartikeln bei einer Brennkraftmaschine (1) mit einer ersten Gruppe von Zylindern, deren Abgase durch eine erste Abgasführung (20) geführt sind und deren Kraftstoff/Luft-Gemischverhältnis über ein erstes Kraftstoffzumesssystem (11), angesteuert über eine Steuereinheit (120), durch einen ersten Regelkreis zur Einstellung eines ersten Lambda-Wertes auf Basis des Signals einer ersten Abgassonde (50), die in Strömungsrichtung des Abgases vor einem Katalysator (40) in der Abgasführung (20) angeordnet ist, einstellbar ist, und mit mindestens einer weiteren Gruppe von Zylindern, deren Abgase durch eine weitere Abgasführung (70) geführt sind und deren Kraftstoff/Luft-Gemischverhältnis über ein weiteres Kraftstoffzumesssystem (13) durch einen weiteren Regelkreis zur Einstellung eines weiteren Lambda-Wertes auf Basis des Signals einer weiteren Abgassonde (100), die in Strömungsrichtung des Abgases vor einem Katalysator (90) in der Abgasführung (70) angeordnet ist, wobei die getrennten Abgasführungen (20, 70) nach den Katalysatoren (40, 90) zu einer gemeinsamen Abgasführung (140) zusammengeführt sind, in der ein gemeinsamer Katalysator (150) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasnachbehandlungskomponenten zum Filtern der Rußpartikel jeweils in den noch getrennten Abgasführungen (20, 70) angeordnet sind oder in der gemeinsamen Abgasführung (140) angeordnet ist und mit der Steuereinheit (120) zum Aufheizen dieser Komponenten innermotorische Maßnahmen getrennt für die Zylinder-Gruppen vorgebbar und ein für beide Abgasführungen (20, 70) getrennte Lambda-Modulationen der Lambda-Wert in den beiden Abgasführungen (20, 70) einstellbar sind, wobei diese zueinander synchronisiert sind, oder die Regeneration der partikelfilternden Komponente in der gemeinsamen Abgasführung (140) mittels innermotorischer Maßnahmen und einer aufeinander abgestimmten Lambdamodulation in beiden Abgasführungen (20, 70) durchführbar ist, wobei die Steuereinheit (120) Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die partikelfilternden Komponenten zumindest mit einem NO_x-Speicherkatalysator (200) kombiniert sind.