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WO2019034606A1 - Verfahren zum betreiben einer abgasnachbehandlungsanlage eines einen vor-dreiwegekatalysator aufweisenden verbrennungsmotors und abgasnachbehandlungsanlage - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer abgasnachbehandlungsanlage eines einen vor-dreiwegekatalysator aufweisenden verbrennungsmotors und abgasnachbehandlungsanlage Download PDF

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WO2019034606A1
WO2019034606A1 PCT/EP2018/071920 EP2018071920W WO2019034606A1 WO 2019034606 A1 WO2019034606 A1 WO 2019034606A1 EP 2018071920 W EP2018071920 W EP 2018071920W WO 2019034606 A1 WO2019034606 A1 WO 2019034606A1
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WO
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way catalyst
exhaust
exhaust gas
nox
bypass
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PCT/EP2018/071920
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hong Zhang
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Continental Automotive GmbH
Original Assignee
Continental Automotive GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to KR1020207007109A priority patent/KR102316606B1/ko
Publication of WO2019034606A1 publication Critical patent/WO2019034606A1/de
Priority to US16/792,477 priority patent/US11073062B2/en
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    • F01N2560/025—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics the means being an exhaust gas sensor for measuring or detecting O2, e.g. lambda sensors
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    • F01N2560/02—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics the means being an exhaust gas sensor
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
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    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating an exhaust aftertreatment system of an internal combustion engine, the exhaust pipe, arranged in the exhaust gas turbine of an exhaust gas turbocharger, bypassing the turbine wheel bypass line with bypass valve, arranged in the bypass line pre-three-way catalyst and arranged in the exhaust pipe Main three-way catalyst has.
  • Such internal combustion engines are known.
  • a bypass line with a bypass valve which bypasses the turbine wheel of the exhaust-gas turbocharger is provided, in order to be able to put the turbocharger into operation or shut down by opening or closing the bypass valve. Either way, the exhaust gas flow of the internal combustion engine meets that arranged in the exhaust pipe
  • Main three-way catalyst in which carbon monoxide, nitrogen oxides and unburned hydrocarbons, which are ent ⁇ keep in the exhaust gas, are converted to carbon dioxide, nitrogen and water to ⁇ .
  • the conversion of nitrogen oxides into nitrogen plays a special role.
  • such an internal combustion engine frequently has a pre-three-way catalytic converter arranged in the bypass line of the turbocharger, with which the exhaust gas flowing through the bypass line is cleaned. Also with this pre-three-way catalyst is a corresponding conversion of carbon monoxide, nitrogen oxides and unburned hydrocarbons to carbon dioxide, nitrogen and water instead.
  • this pre-three-way catalyst is a corresponding conversion of carbon monoxide, nitrogen oxides and unburned hydrocarbons to carbon dioxide, nitrogen and water instead.
  • the present invention has for its object to provide a method of the type described above, which allows a largely error-free operation of the pre-three-way catalyst.
  • the present invention thus provides a method by which it is possible to diagnose whether the pre-three-way catalyst provided in the bypass line is correct works or not.
  • the inventive method uses a NOx sensor with which the NOx content in the exhaust gas downstream of the pre-three-way catalyst is measured. If a threshold value is exceeded, for example 100 ppm, the pre-three-way catalyst is assessed as defective. In the other case, the pre-three-way catalyst is classified as functioning correctly.
  • the method according to the invention is carried out only when the bypass line is in operation, ie exhaust gas flows through the pre-three-way catalyst. If the proposed bypass valve shuts off the bypass conduit and the gas flow rate from ⁇ takes the path through the turbine of the turbocharger to the main three-way catalyst, the diagnosis by the NOx sensor is not performed.
  • both the NOx emissions and the lambda value are measured with the provided NOx sensor.
  • the total NOx emissions are calculated from the measured NOx emissions by integration of the NOx concentration with respect to the air mass flow.
  • This variant of the method according OF INVENTION ⁇ -making may also be the taken to reach its light-off temperature or immediately afterwards carried out on-three-way catalyst during the heating phase.
  • the pre-three-way catalyst may be diagnosed as faulty.
  • the present invention further relates to a Abgasnachbe ⁇ treatment system of an internal combustion engine, the exhaust pipe a a turbine wheel of an exhaust gas turbocharger arranged in the exhaust gas line, a bypass three-way catalytic converter arranged in the bypass line, and a main three-way catalytic converter arranged in the bypass line, wherein the exhaust gas aftertreatment system is characterized in that a NOx Sensor in the bypass or exhaust pipe downstream of the
  • Main three-way catalyst is arranged.
  • the corresponding exhaust aftertreatment system is designed to carry out the method described above.
  • Figure 1 is a schematic representation of an embodiment of an exhaust aftertreatment system of an internal combustion engine
  • Figure 2 is a schematic enlarged view
  • the internal combustion engine shown schematically in FIG. 1 is a gasoline engine which has a conventional air feed line 3 and exhaust gas line with an exhaust gas line 2.
  • the internal combustion engine 1 is provided with an exhaust-gas turbocharger, which has a turbine wheel 5 arranged in the exhaust-gas line 2.
  • this turbine 5 is bypassed by a bypass line 6, in which a pre-three-way catalyst 7 is located.
  • a bypass valve 9 Gas flow controlled so that it either passes through the exhaust pipe 2, the turbine wheel 5 or flows through the bypass line 6.
  • a main three-way catalyst 4 Downstream of the bypass line 6 is located in the exhaust pipe 2, a main three-way catalyst 4, which carries out a corresponding exhaust gas purification in a known manner. As shown in FIG. 1, upstream of or downstream of the main three-way catalyst 4, a NOx sensor 8 is disposed. In FIG. 2, this sensor 8 is shown only upstream of the main three-way catalytic converter 4.
  • the provided NOx sensor 8 serves for the diagnosis of the pre-three-way catalytic converter 7 arranged in the bypass line 6.
  • Pre-three-way catalyst 7 are measured by the NOx sensor 8, the Lamb ⁇ dawert and the NOx content in the exhaust gas after the pre-three-way catalyst 7.
  • a lambda value of 1 sensor voltage at 650-750 mV
  • the evaluation of the NOx content is performed. If the measured NOx emissions in the exhaust gas are above a defined threshold, for example, over 100 ppm, depending on the air mass flow, the
  • Pre-three-way catalyst 7 classified as faulty. If the NOx content is below this threshold, the
  • Pre-three-way catalyst 7 considered to be functional. Reference sign list

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Abstract

Es werden ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage eines Verbrennungsmotors (1) und eine Abgasnachbehandlungsanlage beschrieben. Der Verbrennungsmotor (1) weist ein in der Abgasleitung (2) angeordnetes Turbinenrad (5) eines Abgasturboladers und eine das Turbinenrad umgehende Bypassleitung (6) auf, in der ein Vor-Dreiwegekatalysator (7) angeordnet ist. In der Abgasleitung befindet sich ein Haupt-Dreiwegekatalysator (4). Es ist ein NOx-Sensor (8) vorgesehen, der den NOx-Anteil im Abgas nach dem Vor-Dreiwegekatalysator (7) misst. Überschreitet der gemessene NOx-Anteil einen Schwellenwert, wird der Vor-Dreiwegekatalysator (7) als fehlerhaft diagnostiziert.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage eines einen Vor-Dreiwegekatalysator aufweisenden Verbrennungsmotors und Abgasnachbehandlungsanlage
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage eines Verbrennungsmotors, der eine Abgasleitung, ein in der Abgasleitung angeordnetes Tur- binenrad eines Abgasturboladers, eine das Turbinenrad umgehende Bypassleitung mit Bypassventil , einen in der Bypassleitung angeordneten Vor-Dreiwegekatalysator und einen in der Abgasleitung angeordneten Haupt-Dreiwegekatalysator aufweist. Derartige Verbrennungsmotoren sind bekannt. Es ist hierbei eine das Turbinenrad des Abgasturboladers umgehende Bypassleitung mit Bypassventil vorgesehen, um den Turbolader durch Öffnen oder Schließen des Bypassventils in Betrieb nehmen oder außer Betrieb setzen zu können. So oder so trifft der Abgasstrom des Ver- brennungsmotors auf den in der Abgasleitung angeordneten
Haupt-Dreiwegekatalysator, in dem Kohlenstoffmonoxid, Stickoxide und unverbrannte Kohlenwasserstoffe, die im Abgas ent¬ halten sind, zu Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und Wasser um¬ gewandelt werden. Insbesondere spielt dabei die Umwandlung der Stickoxide in Stickstoff eine besondere Rolle.
Zusätzlich zu einem derartigen Haupt-Dreiwegekatalysator besitzt ein derartiger Verbrennungsmotor häufig einen in der Bypassleitung des Turboladers angeordneten Vor-Dreiwegekata- lysator, mit dem das die Bypassleitung durchströmende Abgas gereinigt wird. Auch mit diesem Vor-Dreiwegekatalysator findet eine entsprechende Umwandlung von Kohlenmonoxid, Stickoxiden und unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu Kohlenstoffdioxid, Stickstoff und Wasser statt. Wenn die Bypassleitung in Betrieb ist, wird daher das die Bypassleitung durchströmende Abgas sowohl im Vor-Dreiwegekatalysator als auch im
Haupt-Dreiwegekatalysator einer Reinigung unterzogen. Die vorstehend beschriebenen Dreiwegekatalysatoren sind erst bei einer Light-off-Temperatur (Anspringtemperatur) voll funkti¬ onsfähig, so dass sie nach dem Starten des Verbrennungsmotors möglichst rasch aufgeheizt werden müssen, um ihre Betriebs¬ temperatur (Light-off-Temperatur) zu erreichen. Es ist daher bekannt, Aufheizmaßnahmen vorzusehen, um derartige Dreiwegekatalysatoren auf ihre optimale Betriebstemperatur zu bringen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, das einen weitgehend fehlerfreien Betrieb des Vor-Dreiwegekatalysators ermöglicht .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der angegebenen Art gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:
- Vorsehen eines NOx-Sensors in der Bypass- oder Abgasleitung stromab des Vor-Dreiwegekatalysators und stromauf oder stromab des Haupt-Dreiwegekatalysators; - Messen der NOx-Emissionen im Abgas mithilfe des NOx-Sensors; und
- Diagnostizieren des Vor-Dreiwegekatalysators als fehlerhaft, wenn die gemessenen NOx-Emissionen über einem Schwellenwert liegen.
Die vorliegende Erfindung stellt somit ein Verfahren zur Verfügung, mit dem diagnostiziert werden kann, ob der in der Bypassleitung vorgesehene Vor-Dreiwegekatalysator korrekt funktioniert oder nicht. Hierzu benutzt das erfindungsgemäße Verfahren einen NOx-Sensor, mit dem der NOx-Anteil im Abgas stromab des Vor-Dreiwegekatalysators gemessen wird. Wird dabei ein Schwellenwert überschritten, beispielsweise 100 ppm, wird der Vor-Dreiwegekatalysator als fehlerhaft beurteilt . Im anderen Fall wird der Vor-Dreiwegekatalysator als korrekt funktionierend eingestuft .
Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren nur dann durchgeführt wird, wenn die Bypassleitung in Betrieb ist, d.h. Abgas den Vor-Dreiwegekatalysator durchströmt. Wenn das vorgesehene Bypassventil die Bypassleitung absperrt und der Ab¬ gasstrom den Weg über das Turbinenrad des Abgasturboladers zum Haupt-Dreiwegekatalysator nimmt, wird die Diagnose durch den NOx-Sensor nicht durchgeführt.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mit dem vorgesehenen NOx-Sensor sowohl die NOx-Emissionen als auch der Lambdawert gemessen.
Damit derartige Dreiwegekatalysatoren korrekt funktionieren und einen hohen Umwandlungsgrad der Schadstoffe gewährleisten, wird bei Abgasnachbehandlungssystemen des Standes der Technik mithilfe eines Regelkreises mit Lambdasonde das Verbren- nungsluftverhältnis Lambda in einem engen Bereich um Lambda = 1 gehalten, da bei Abweichung vom stöchiometrischen
Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu magerem Gemisch von Lambda > 1 nicht alle Stickoxide abgebaut werden, weil Sauerstoffüberschuss vorhanden ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nunmehr mit dem NOx-Sensor auch der entsprechende Lambdawert des Abgases gemessen, um die Diagnose des Vor-Dreiwegekatalysators in einem optimalen Bereich um Lambda = 1 durchführen zu können. Die Diagnose wird daher hierbei nur dann durchgeführt, wenn Lambda in diesem Bereich liegt. Für die entsprechende Abgasreinigung ist es von Bedeutung, dass die Schadstoffe, hier NOx, sowohl vor als auch nach dem Erreichen der Light-off-Temperatur des Vor-Dreiwegekatalysators reduziert werden. Der Vor-Dreiwegekatalysator muss daher in beiden Fällen korrekt funktionieren. Insbesondere muss hierbei auch in der Phase bis zum Erreichen der Light-off-Temperatur, d.h. während der Aufheizphase des Katalysators, diagnostiziert werden, ob eine korrekte Funktionsweise gegeben ist. Bei dem erfin¬ dungsgemäßen Verfahren werden daher die Messungen mit dem NOx-Sensor insbesondere während der Aufheizphase des
Vor-Dreiwegekatalysators durchgeführt .
Im Einzelnen wird dabei vorzugsweise nach einer definierten Zeitdauer zum Anspringen des Vor-Dreiwegekatalysators der Lambdawert nach dem Vor-Dreiwegekatalysator gemessen, und bei Feststellung, dass dieser im Bereich von Lambda = 1 liegt, werden die NOx-Emissionen gemessen und wird die Diagnose durchgeführt. Wenn hierbei festgestellt wird, dass ein Schwellenwert über¬ schritten wird (in Abhängigkeit vom Luftmassenstrom) , wird der Vor-Dreiwegekatalysator als fehlerhaft eingestuft.
Bei einer anderen Variante des erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens werden aus den gemessenen NOx-Emissionen die gesamten NOx-Emissionen durch Integration der NOx-Konzentration in Bezug auf den Luftmassenstrom berechnet. Diese Variante des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens kann ebenfalls während der Aufheizphase des Vor-Dreiwegekatalysators bis zum Erreichen von dessen Light-off-Temperatur oder gleich danach durchgeführt werden. Wenn hierbei der berechnete Gesamtwert über einem Schwellenwert liegt, kann der Vor-Dreiwegekatalysator als fehlerhaft diagnostiziert werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Abgasnachbe¬ handlungsanlage eines Verbrennungsmotors, der eine Abgaslei- tung, ein in der Abgasleitung angeordnetes Turbinenrad eines Abgasturboladers, eine das Turbinenrad umgehende Bypassleitung mit Bypassventil , einen in der Bypassleitung angeordneten Vor-Dreiwegekatalysator und einen in der Abgasleitung angeordneten Haupt-Dreiwegekatalysator aufweist, wobei die Abgasnachbehandlungsanlage dadurch gekennzeichnet, ist, dass ein NOx-Sensor in der Bypass- oder Abgasleitung stromab des
Vor-Dreiwegekatalysators und stromauf oder stromab des
Haupt-Dreiwegekatalysators angeordnet ist. Die entsprechende Abgasnachbehandlungsanlage ist zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens ausgebildet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei¬ spieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Abgasnachbehandlungsanlage eines Verbrennungsmotors; und
Figur 2 eine schematische vergrößerte Darstellung
eines Teiles der Abgasnachbehandlungsanlage der Figur 1.
Bei dem in Figur 1 schematisch dargestellten Verbrennungsmotor handelt es sich um einen Ottomotor, der einen üblichen Luftzuführstrang 3 sowie Abgasstrang mit einer Abgasleitung 2 aufweist. Der Verbrennungsmotor 1 ist mit einem Abgasturbolader versehen, der ein in der Abgasleitung 2 angeordnetes Turbinenrad 5 aufweist.
Wie in Figur 2 dargestellt, wird dieses Turbinenrad 5 von einer Bypassleitung 6 umgangen, in der sich ein Vor-Dreiwegekatalysator 7 befindet. Über ein Bypassventil 9 wird der Ab- gasstrom so gesteuert, dass er entweder über die Abgasleitung 2 das Turbinenrad 5 passiert oder durch die Bypassleitung 6 strömt.
Stromab der Bypassleitung 6 befindet sich in der Abgasleitung 2 ein Haupt-Dreiwegekatalysator 4, der in bekannter Weise eine entsprechende Abgasreinigung durchführt. Wie in Figur 1 gezeigt, ist stromauf oder stromab des Haupt-Dreiwegekatalysators 4 ein NOx-Sensor 8 angeordnet. In Figur 2 ist hierbei dieser Sensor 8 nur stromauf des Haupt-Dreiwegekatalysators 4 gezeigt.
Der vorgesehene NOx-Sensor 8 dient zur Diagnose des in der Bypassleitung 6 angeordneten Vor-Dreiwegekatalysators 7.
Hiermit wird die Funktionsfähigkeit dieses Katalysators überprüft. Dies geschieht dadurch, dass mithilfe des NOx-Sensors 8 der NOx-Anteil im Abgas nach dem Vor-Dreiwegekatalysator 7 und der Lambdawert des Abgases nach dem Vor-Dreiwegekatalysator 7 gemessen werden. Im Einzelnen wird dabei so vorgegangen:
Es findet eine Funktionsüberprüfung des Vor-Dreiwegekataly- sators 7 während dessen Aufheizphase statt. Nach dem Motorstart und nach Ablauf einer bestimmten Zeitdauer, beispielsweise von 10 sec, zum Erreichen der Light-off-Temperatur des
Vor-Dreiwegekatalysators 7 werden vom NOx-Sensor 8 der Lamb¬ dawert und der NOx-Anteil im Abgas nach dem Vor-Dreiwege- katalysator 7 gemessen. Bei einem Lambdawert von 1 (Sensorspannung bei 650-750 mV) wird die Auswertung des NOx-Anteiles durchgeführt. Wenn die gemessenen NOx-Emissionen im Abgas über einem definierten Schwellenwert liegen, beispielsweise über 100 ppm in Abhängigkeit vom Luftmassenstrom, wird der
Vor-Dreiwegekatalysator 7 als fehlerhaft eingestuft. Liegt der NOx-Anteil unter diesem Schwellenwert, wird der
Vor-Dreiwegekatalysator 7 als funktionsfähig angesehen. Bezugs zeichenliste
1 Verbrennungsmotor
2 Abgasleitung
3 Luftzuführstrang
4 Haupt-Dreiwegekatalysator
5 Turbinenrad
6 Bypassleitung
7 Vor-Dreiwegekatalysator
8 NOx-Sensor
9 Bypassventil

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Abgasnachbehandlungsanlage eines Verbrennungsmotors (1) , der eine Abgasleitung (2), ein in der Abgasleitung (2) angeordnetes Turbinenrad (5) eines Abgasturboladers, eine das Turbinenrad (5) umgehende Bypassleitung (6) mit Bypassventil (9), einen in der Bypassleitung (6) angeordneten
Vor-Dreiwegekatalysator (7) und einen in der Abgasleitung (2) angeordneten Haupt-Dreiwegekatalysator (5) aufweist, mit den folgenden Schritten:
- Vorsehen eines NOx-Sensors (8) in der Bypass- oder Abgasleitung (6, 2) stromab des Vor-Dreiwegekataly- sators (7) und stromauf oder stromab des
Haupt-Dreiwegekatalysators (4);
- Messen der NOx-Emissionen im Abgas mithilfe des
NOx-Sensors (8); und
- Diagnostizieren des Vor-Dreiwegekatalysators (7) als fehlerhaft, wenn die gemessenen NOx-Emissionen über einem Schwellenwert liegen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem NOx-Sensor (8) die NOx-Emissionen und der Lambdawert gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen während der Aufheizphase des
Vor-Dreiwegekatalysators (7) durchgeführt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer definierten Zeitdauer zum Anspringen des Vor-Dreiwegekatalysators (7) der Lambdawert nach dem Vor-Dreiwegekatalysator (7) gemessen wird und bei einem Lambdawert im Bereich von 1 die NOx-Emissionen gemessen werden und die Diagnose des Vor-Dreiwegekatalysators (7) durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den gemessenen NOx-Emissionen die gesamten
NOx-Emissionen durch Integration der NOx-Konzentration in Bezug auf den Luftmassenstrom berechnet werden.
6. Abgasnachbehandlungsanlage eines Verbrennungsmotors
(1) , der eine Abgasleitung (2), ein in der Abgasleitung
(2) angeordnetes Turbinenrad (5) eines Abgasturboladers , eine das Turbinenrad (5) umgehende Bypassleitung (6) mit Bypassventil (9), einen in der Bypassleitung (6) angeordneten Vor-Dreiwegekatalysator (7) und einen in der Abgasleitung (2) angeordneten Haupt-Dreiwegekatalysator
(4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein
NOx-Sensor (8) in der Bypass- oder Abgasleitung (6, 2) stromab des Vor-Dreiwegekatalysators (7) und stromauf oder stromab des Haupt-Dreiwegekatalysators (4) ange¬ ordnet ist.
7. Abgasnachbehandlungsanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist.
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