DE102020128786A1

DE102020128786A1 - Verfahren zur Verminderung der Lachgasemissionen eines Verbrennungsmotors sowie Abgasnachbehandlungssystem

Info

Publication number: DE102020128786A1
Application number: DE102020128786.0A
Authority: DE
Inventors: Asmus CARSTENSEN; Arne Brömer; Stefan Resch; Andreas Herr; Stefan PAUKNER; Stefan Wendenburg
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-11-02
Filing date: 2020-11-02
Publication date: 2022-05-05
Also published as: CN114439584A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung der Lachgasemissionen in einer Abgasanlage (20) eines Verbrennungsmotors (10). Dabei ist der Auslass (18) des Verbrennungsmotors (10) mit der Abgasanlage (20) verbunden. In der Abgasanlage (20) sind in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors (10) eine Stickoxidspeicherkomponente (28, 30, 32), stromabwärts der Stickoxidspeicherkomponente (28, 30, 32) eine elektrische Heizeinrichtung (34) und stromabwärts der elektrischen Heizeinrichtung (34) ein Oxidationskatalysator (38) angeordnet. Es ist vorgesehen, dass die Temperaturen (TNS, TOX) der Stickoxidspeicherkomponente (28, 30, 32) und des Oxidationskatalysators (38) bestimmt werden, ein Betriebszustand des Verbrennungsmotors (10) ermittelt wird und die elektrische Heizeinrichtung (34) aktiviert wird, wenn die Temperaturen (TNS, TOX) und der ermittelte Betriebszustand des Verbrennungsmotors (10) eine Lachgasbildung an zumindest einer der Abgasnachbehandlungskomponenten (28, 30, 32, 38) erwarten lässt.Die Erfindung betrifft ferner ein Abgasnachbehandlungssystem zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung der Lachgasemissionen eines Verbrennungsmotors sowie ein Abgasnachbehandlungssystem zur Durchführung eines solchen Verfahrens gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
Das Kyoto-Protokoll ist ein gemeinsames Ergebnis der internationalen Klimapolitik. Darin verpflichten sich die Mitgliedsstaaten der internationalen Staatengemeinschaft in einem völkerrechtlichen Vertrag auf eine absolute und rechtlich verbindliche Begrenzung des Ausstoßes von Treibhausgasen. Mit der Ratifizierung des Kyoto-Protokolls ist es für die Industriestaaten verpflichtend und verbindlich, die Emissionen der wichtigsten Treibhausgase - darunter Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und Lachgas (N2O) zu senken.
Lachgas ist ein Treibhausgas, welches rund 300-mal so klimaschädlich ist wie Kohlenstoffdioxid. Hauptquelle für die Lachgasemissionen sind stickstoffhaltige Düngemittel in der Landwirtschaft sowie die landwirtschaftliche Tierhaltung. Weitere Quellen sind die Industrieprozesse in der chemischen Industrie sowie stationäre und mobile Verbrennungsprozesse.
Im Zuge einer weiteren Verschärfung der zukünftigen Emissionsgesetzgebung für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren ist auch mit einem Grenzwert für die Lachgasemissionen zu rechen. Dabei stellen die Forderungen nach einem weiter sinkenden Verbrauch und die weitere Verschärfung der Abgasnormen hinsichtlich der zulässigen Stickoxid- und Lachgasemissionen eine Herausforderung für die Motorenentwickler dar. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Weise über einen Drei-Wege-Katalysator, sowie dem Drei-Wege-Katalysator vor- und nachgeschaltete weitere Katalysatoren. Bei Dieselmotoren finden aktuell Abgasnachbehandlungssysteme Verwendung, welche einen Oxidationskatalysator, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren aufweisen. Als Reduktionsmittel wird dabei bevorzugt Ammoniak verwendet. Weil der Umgang mit reinem Ammoniak aufwendig ist, wird bei Fahrzeugen üblicherweise eine synthetische, wässrige Harnstofflösung verwendet, die in einer dem SCR-Katalysator vorgeschalteten Mischeinrichtung mit dem heißen Abgasstrom vermischt wird. Durch diese Vermischung wird die wässrige Harnstofflösung erhitzt, wobei die wässrige Harnstofflösung Ammoniak im Abgaskanal freisetzt. Eine handelsübliche, wässrige Harnstofflösung setzt sich im Allgemeinen aus 32,5 % Harnstoff und 67,5 % Wasser zusammen.
Bei Verbrennungsmotoren entsteht Lachgas im Wesentlichen nicht primär bei der motorischen Verbrennung, sondern wird unter bestimmten ungünstigen Temperaturbedingungen auf den Katalysatoren zur Abgasnachbehandlung gebildet.
Aus der DE 102 42 303 A1 sind eine Abgasreinigungsanlage und ein Verfahren zur Reinigung von Abgasen bekannt. Dabei sind in der Abgasanlage des Verbrennungsmotors in Strömungsrichtung eines Abgasstroms durch diese Abgasanlage ein Oxidationskatalysator, ein NOx-Speicherkatalysator, ein Partikelfilter und ein SCR-Katalysator angeordnet. Stromabwärts des Partikelfilters und stromaufwärts des SCR-Katalysators ist ein Dosierventil vorgesehen, um ein Reduktionsmittel in die Abgasanlage einzubringen. Dabei ist vorgesehen, dass der NOx-Speicherkatalysator mittels eines elektrischen Heizelements beheizbar ist, um das Einspeicherverhalten von Stickoxiden zu steuern.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, zusätzlich zu den bereits limitierten Abgaskomponenten (NOx, CO, HC) zusätzlich die Lachgasemissionen zu minimieren und damit die Abgasreinigung weiter zu verbessern bzw. negative Sekundäreffekte zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Verminderung der Lachgasemissionen in einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors gelöst. Dabei ist der Auslass des Verbrennungsmotors mit der Abgasanlage verbunden. In der Abgasanlage sind in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors eine Stickoxidspeicherkomponente, stromabwärts der Stickoxidspeicherkomponente eine elektrische Heizeinrichtung, insbesondere ein elektrisch beheizbarer Katalysator, und stromabwärts der elektrischen Heizeinrichtung ein Oxidationskatalysator angeordnet. Es ist vorgesehen, dass die Temperaturen der Stickoxidspeicherkomponente und des Oxidationskatalysator bestimmt werden, ein Betriebszustand des Verbrennungsmotors ermittelt wird und die elektrische Heizeinrichtung aktiviert wird, wenn die Temperaturen und der ermittelte Betriebszustand des Verbrennungsmotors eine Lachgasbildung an zumindest einer der Abgasnachbehandlungskomponenten, insbesondere an dem Oxidationskatalysator, erwarten lässt.
Lachgasemissionen entstehen in der Abgasanlage insbesondere dann, wenn Stickoxide freigesetzt werden, gleichzeitig unverbrannte Kohlenwasserstoffe im Abgas vorhanden sind und die Temperatur eines Katalysators im Bereich von 200 - 240°C liegt. Unter diesen Bedingungen kommt es zu einer verstärkten Lachgasbildung, daher gilt es solche Bedingungen zu vermeiden, um die Lachgasbildung zu minimieren. Solange die Stickoxidspeicherkomponente die Stickoxide im Abgas des Verbrennungsmotors absorbiert, fehlt für die Lachgasbildung ein wesentlicher Reaktionspartner. Wird eine Betriebssituation des Verbrennungsmotors erkannt, bei der Stickoxide freigesetzt werden oder nicht mehr durch die Stickoxidspeicherkomponente absorbiert werden können, gleichzeitig unverbrannte Kohlenwasserstoffe im Abgas vorhanden sind und die Temperatur des Oxidationskatalysators im kritischen Bereich von 200° - 240°C liegt, so wird die elektrische Heizeinrichtung aktiviert, um den Oxidationskatalysator soweit aufzuheizen, dass eine Lachgasbildung minimiert wird.
Durch eine gezielte Temperatursteuerung des Oxidationskatalysators über den elektrisch beheizbaren Katalysator kann die Bildung von Lachgas auf den Katalysatoren in der Abgasanlage minimiert werden. Hohe Verbrennungs- und Abgastemperaturen führen zu einem schnellen Zerfall von Lachgas und somit zu einer weiteren Minimierung der Lachgasemissionen.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterentwicklungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch genannten Verfahrens möglich.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Beladungszustand der Stickoxidspeicherkomponente, insbesondere eines passiven NOx-Adsorbers oder eines NOx-Speicherkatalysators, ermittelt wird. Durch die Ermittlung des Beladungszustandes kann abgeschätzt werden, ob ein Betriebszustand zu erwarten ist, bei dem Stickoxide freigesetzt werden und die Gefahr der Bildung von Lachgas entsteht.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass stromaufwärts der Stickoxidspeicherkomponente eine erste Stickoxidkonzentration und stromabwärts der Stickoxidspeicherkomponente eine zweite Stickoxidkonzentration gemessen werden, wobei aus den gemessenen Stickoxidkonzentrationen ein Beladungszustand der Speicherkomponente oder ein Stickoxidaustrag aus der Stickoxidspeicherkomponente ermittelt wird. Durch eine Messung der Stickoxidkonzentration kann der Beladungszustand der Stickoxidspeicherkomponente berechnet werden und/oder ein Austrag von Stickoxiden aus der Stickoxidspeicherkomponente erfasst werden.
Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass ein Beladungszustand der Stickoxidspeicherkomponente oder ein Stickoxidaustrag aus der Stickoxidspeicherkomponente mittels eines Beladungsmodells berechnet wird. Durch ein entsprechendes Berechnungsmodell kann alternativ oder zusätzlich berechnet werden, ob ein Stickoxidaustrag aus der Stickoxidspeicherkomponente zu erwarten ist und die Gefahr der Lachgasbildung erhöht ist.
In eine vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass in der Abgasanlage stromaufwärts des Oxidationskatalysators eine Konzentration an unverbrannten Kohlenwasserstoffen ermittelt wird. Da die Bildung von Lachgas durch das gleichzeitige Vorhandensein von unverbrannten Kohlenwasserstoffen begünstigt wird, kann die Steuerung des elektrisch beheizbaren Katalysators verbessert werden, indem zusätzlich die Konzentration an unverbrannten Kohlenwasserstoffen stromaufwärts des Oxidationskatalysators ermittelt wird.
In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der elektrisch beheizbare Katalysator aktiviert wird, wenn ein Schwellenwert für die Stickoxidbeladung der Stickoxidspeicherkomponente überschritten wird. Da ab einem Schwellenwert, insbesondere ab einer Beladung der Stickoxidspeicherkomponente von mehr als 75% der Speicherkapazität der Stickoxidspeicherkomponente, die Gefahr der Freisetzung von Stickoxiden zunimmt, ist es vorteilhaft, bei Überschreitung des Schwellenwertes den elektrisch beheizbaren Katalysator zu aktivieren. Durch die rechtzeitige Aktivierung der elektrischen Heizeinrichtung wird der Oxidationskatalysator soweit aufgeheizt, dass der Oxidationskatalysator eine Temperatur von mindestens 250°C, vorzugsweise von mindestens 350°C, besonders bevorzugt von mindestens 450°C erreicht, bevor die Stickoxide aus der Stickoxidspeicherkomponente freigesetzt werden und somit die Lachgasbildung minimiert wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, welcher mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist, wobei in der Abgasanlage in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors eine Stickoxidspeicherkomponente, stromabwärts der Stickoxidspeicherkomponente eine elektrische Heizeinrichtung, insbesondere ein elektrisch beheizbarer Katalysator, und stromabwärts der elektrischen Heizeinrichtung ein Oxidationskatalysator angeordnet sind, sowie mit einem Steuergerät, welches dazu eingerichtet ist, ein solches Verfahren durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Steuergerät ausgeführt wird. Durch ein solches Abgasnachbehandlungssystem kann verhindert werden, dass der Oxidationskatalysator bei einem für die Lachgasbildung kritischen Betriebszustand des Verbrennungsmotors in einem Temperaturbereich betrieben wird, welcher eine solche Lachgasbildung begünstigt. Dadurch können die Lachgasemissionen minimiert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass die Stickoxidspeicherkomponente ein NOx-Speicherkatalysator ist oder einen NOx-Speicherkatalysator umfasst. Durch einen NOx-Speicherkatalysator können Stickoxide eingespeichert werden. Zur Regeneration des NOx-Speicherkatalysators sind jedoch motorische Fettphasen oder eine Eindosierung von Kraftstoff in die Abgasanlage notwendig, um die eingespeicherten Stickoxide mit den unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu konvertieren. Da das gleichzeitige Vorhandensein von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden jedoch die Lachgasbildung begünstigt, ist es hilfreich, den Oxidationskatalysator durch die elektrische Heizeinrichtung so stark aufzuheizen, dass die Temperatur des Oxidationskatalysators über dem für die Lachgasbildung kritischen Temperaturbereich von 200°C - 250°C liegt.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der NOx-Speicherkatalysator als Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator ausgeführt ist. Unter einem Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator ist in diesem Zusammenhang ein NOx-Speicherkatalysator zu verstehen, welcher bereits ab einer Temperatur von 140°C, vorzugsweise bereits ab 120°C, besonders bevorzugt bereits ab 100°C Stickoxide einspeichern kann. Durch einen solchen Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator können insbesondere die Stickoxidemissionen in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors minimiert werden, in der weitere Abgasnachbehandlungskomponenten zu Reduzierung von Stickoxiden, insbesondere ein oder mehrere Katalysatoren zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, noch nicht ihre Betriebstemperatur erreicht haben.
Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Stickoxidspeicherkomponente ein passiver NOx-Adsorber ist oder einen passiven NOx-Adsorber umfasst. Durch einen passiven NOx-Adsorber können Stickoxide bereits bei Abgastemperaturen von etwa 80°C adsorbiert und temporär eingespeichert werden. Übersteigen die Abgastemperatur und die Temperatur des passiven NOx-Adsorbers einen Schwellenwert von etwa 200 - 250°C, so werden die eingespeicherten Stickoxide wieder freigesetzt und der passive NOx-Adsorber regeneriert. Somit ist der passive NOx-Adsorber insbesondere dazu geeignet, die Stickoxidemissionen in einer Kaltstartphase des Verbrennungsmotors zu minimieren. Da die Freisetzung der Stickoxide bei einem Temperaturniveau erfolgt, welches hinsichtlich der Lachgasbildung kritisch ist, ist es vorteilhaft, den Oxidationskatalysator durch die elektrische Heizeinrichtung zu erwärmen, damit der Oxidationskatalysator bei der Freisetzung der Stickoxide heiß genug ist, um eine Lachgasbildung zu vermeiden oder zu minimieren.
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. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Es zeigen:

1 einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem in einer schematischen Darstellung;
2 eine Katalysatoranordnung das Abgasnachbehandlungssystems in einer schematischen Darstellung;
3 einen zeitlichen Temperaturverlauf des Oxidationskatalysators sowie die Ansteuerung der elektrischen Heizeinrichtung bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors; und
4 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verminderung der Lachgasemissionen.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 10, welcher mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 20 verbunden ist. Der Verbrennungsmotor 10 ist als direkteinspritzender Dieselmotor ausgeführt. Der Verbrennungsmotor 10 weist mehrere Brennräume 12 auf. An den Brennräumen 12 ist jeweils ein Kraftstoffinjektor 14 zur Einspritzung eines Kraftstoffes in den jeweiligen Brennraum 12 angeordnet. Die Brennräume werden jeweils durch einen Kolben 16 begrenzt, welcher verschiebbar in einer Zylinderbohrung des Verbrennungsmotors 10 angeordnet ist. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit seinem Einlass mit einem nicht dargestellten Luftversorgungssystem und mit seinem Auslass 18 mit einer Abgasanlage 20 verbunden. Der Verbrennungsmotor 10 kann eine Hochdruck-Abgasrückführung mit einer Abgasrückführungsleitung und einem Hochdruck-Abgasrückführungsventil aufweisen, über welches ein Abgas des Verbrennungsmotors 10 von dem Auslass 18 zum Einlass zurückgeführt werden kann. An den Brennräumen 12 sind Einlassventile und Auslassventile angeordnet, mit welchen eine fluidische Verbindung vom Luftversorgungssystem zu den Brennräumen 12 oder von den Brennräumen 12 zur Abgasanlage 20 geöffnet oder verschlossen werden kann.
In der Abgasanlage 20 ist in Strömungsrichtung eines Abgasstroms durch den Verbrennungsmotor 10 durch einen Abgaskanal 22 der Abgasanlage 20 stromabwärts einer Turbine 26 eines Abgasturboladers 24 als erste Komponente der Abgasnachbehandlung eine Stickoxidspeicherkomponente 28, insbesondere ein passiver NOx-Adsorber 32 angeordnet. Der passive NOx-Adsorber 32 ist bevorzugt als passiver NOx-Adsorber 32 ohne eine Oxidationskomponente ausgeführt und dient lediglich zur temporären Einspeicherung von Stickoxiden in der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors. Stromabwärts der Stickoxidspeicherkomponente 28 ist eine elektrische Heizeinrichtung 34 mit einem elektrischen Heizelement 36 angeordnet, mit welcher der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 im Wesentlichen unabhängig von der Betriebsweise des Verbrennungsmotors 10 beheizt werden kann. Weiter stromabwärts ist ein Oxidationskatalysator 38, insbesondere ein Dieseloxidationskatalysator, angeordnet. Alternativ kann die Stickoxidspeicherkomponente 28 auch als ein NOx-Speicherkatalysator 30, insbesondere als Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator, ausgeführt sein.
Stromabwärts des Oxidationskatalysators 38 können in der Abgasanlage 20 weitere Abgasnachbehandlungskomponenten 40, 42, 44, 46, insbesondere mindestens eine Abgasnachbehandlungskomponente 40 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden, bevorzugt ein SCR-Katalysator 42 oder ein Partikelfilter 44 mit einer SCR-Beschichtung 46 angeordnet sein, mit welchem ein Reduktionsmittel in den Abgaskanal 22 eindosiert werden kann. Stromabwärts des Oxidationskatalysators 38 und stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente 40 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden ist ein Dosierelement 58 angeordnet, mit welchem ein Reduktionsmittel, insbesondere wässrige Harnstofflösung, in die Abgasanlage 20 des Verbrennungsmotors 10 eindosiert werden kann.
Stromabwärts des Dosierelements 58 und stromaufwärts der Abgasnachbehandlungskomponente 40 zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden kann ein Abgasmischer angeordnet sein, um eine Durchmischung des Reduktionsmittels mit dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 vor Eintritt in die Abgasnachbehandlungskomponente 40 zur selektiven katalytischen Reduktion zu verbessern.
Ferner können in der Abgasanlage 20 mehrere Abgassensoren 48, insbesondere NOx-Sensor(en) 54, 56, oder ein Sensor zur Erkennung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, sowie Temperatursensoren 50, 52 vorgesehen sein. Der Verbrennungsmotor 10 und die Sensoren 48, 50, 52, 54, 56 sind mit einem Steuergerät 60 verbunden, welches unter anderem die Einspritzmenge und den Einspritzzeitpunkt des Kraftstoffs in die Brennräume 12 des Verbrennungsmotors 10 und die Aktivierung beziehungsweise die Heizleistung der elektrischen Heizeinrichtung 34 steuert. Das Steuergerät 60 umfasst eine Recheneinheit 62 und eine Speichereinheit 64, in welcher ein maschinenlesbarer Programmcode 66 abgelegt ist, welcher durch die Recheneinheit 62 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden kann.
2 zeigt eine Katalysatoranordnung des Abgasnachbehandlungssystems in einer schematischen Darstellung. Dabei ist ein Teilsegment eines Abgaskanals 22 einer Abgasanlage 20 dargestellt. Die Katalysatoranordnung umfasst eine Stickoxidspeicherkomponente 28, eine elektrische Heizeinrichtung 34 in Form eines elektrisch beheizbaren Katalysators, welcher ein elektrisches Heizelement 36 umfasst. Der elektrischen Heizeinrichtung 34 ist ein Oxidationskatalysator 38 nachgeschaltet. Die Stickoxidspeicherkomponente 28 ist vorzugsweise als passiver NOx-Adsorber 32 ausgebildet, kann aber alternativ auch als NOx-Speicherkatalysator 30 ausgebildet sein.
Stromaufwärts der Stickoxidspeicherkomponente 28 ist im Abgaskanal 22 ein erster NOx-Sensor 54 angeordnet. Stromabwärts der Stickoxidspeicherkomponente 28 ist ein zweiter NOx-Sensor 56 angeordnet, sodass über die zwischen den NOx-Sensoren 54, 56 gemessene Differenz eine Beladung der Stickoxidspeicherkomponente 28 oder ein Freisetzen von Stickoxiden festgestellt werden kann. An der Stickoxidspeicherkomponente 28 ist ein erster Temperatursensor 50 angeordnet, mit welchem die Temperatur T_NS der Stickoxidspeicherkomponente 28 gemessen werden kann. An dem Oxidationskatalysator 38 ist ein zweiter Temperatursensor 52 angeordnet, mit welchem die Temperatur T_ox des Oxidationskatalysators 38 gemessen werden kann.
In 3 ist ein Diagramm dargestellt, welches den Temperaturverlauf T_ox des Oxidationskatalysators 38 bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 zeigt. Dabei wird die Temperatur T_ox aus einer aus Sicht der Lachgasbildung unkritischen ersten kalten Temperaturzone I, in eine unkritsche, heiße, dritte Temperaturzone III angehoben, wobei die kritische Temperaturzone II durch die Aktivierung A der elektrischen Heizeinrichtung 34 möglichst schnell durchlaufen wird und das Durchlaufen der kritischen Temperaturzone II erfolgt, wenn entweder sämtlich Stickoxide in der Stickoxidspeichereinrichtung 28 eingespeichert werden können und/oder sich keine unverbrannten Kohlenwasserstoffe im Abgasstrom befinden, um die Lachgasbildung zu minimieren. Bei Verbrennungsmotoren 10 entsteht Lachgas nicht primär durch die motorische Verbrennung in den Brennräumen 12, sondern im Wesentlichen als Sekundäremission bei der Abgasnachbehandlung. Eine Lachgasbildung auf dem Oxidationskatalysator 38 oder einer Oxidationsstufe des NOx-Speicherkatalysators 30 findet nur dann statt, wenn die zur Lachgasbildung erforderlichen Reaktanten, Stickoxide und unverbrannte Kohlenwasserstoffe, vorliegen und an dem Katalysator 30, 38 ein für die Lachgasbildung kritischer Temperaturbereich von etwa 200°C bis 250°C vorherrscht.
Solange die Stickoxidspeicherkomponente 28 die Stickoxide adsorbiert, fehlt für die Lachgasbildung an dem Oxidationskatalysator 38 ein wesentlicher Reaktionspartner. Die aktuelle Speicherbeladung der Stickoxidspeicherkomponente 28 wird mittels eines Berechnungsmodells im Steuergerät 60 oder über eine Messung der Stickoxidkonzentration im Abgaskanal 22 an jeweils einem NOx-Sensor 54, 56 stromaufwärts und stromabwärts der Stickoxidspeicherkomponente 28 oder durch eine Kombination beider Verfahren ermittelt. Die maximale Speicherkapazität der Stickoxidspeicherkomponente wird applikativ in dem Steuergerät 60 abgelegt. Die Temperatur T_ox des Oxidationskatalysators 38 sowie die Temperatur T_NS der Stickoxidspeicherkomponente 28 werden über ein Berechnungsmodell, Temperatursensoren 50, 52 oder eine Kombination von beiden Verfahren ermittelt.
Es gibt drei Betriebssituationen des Verbrennungsmotors 10, in denen Stickoxide stromabwärts der Stickoxidspeicherkomponente 28 auftreten können.

1.) Die Stickoxidspeicherkomponente 28, insbesondere der passive NOx-Adsorber 32, wird über das motorische Abgas bis in den Bereich der Desorptionstemperatur erwärmt und die eingelagerten Stickoxide durch thermische Desorption freigesetzt. Dies kann sowohl passiv im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors 10 als auch durch gezielte innermotorische Heizmaßnahmen, beispielsweise zur Regeneration eines Partikelfilters, erfolgen.
2.) Der Schwellenwert der Stickoxidbeladung der Stickoxidspeicherkomponente 28 wird überschritten, sodass die eintretenden Stickoxide nicht mehr vollständig in der Stickoxidspeicherkomponente 28 eingelagert werden können und Stickoxide in die Abgasanlage 20 stromabwärts der Stickoxidspeicherkomponente 28 gelangen.
3.) Die Abgastemperatur T_EG beziehungsweise die Temperatur T_NS der Stickoxidspeicherkomponente 28 liegt so hoch, dass eintretende Stickoxide nicht in der Stickoxidspeicherkomponente 28 eingelagert werden und die Stickoxidspeicherkomponente 28 durchströmen.

Wenn über einen der drei Mechanismen oder eine Kombination aus mehreren dieser Mechanismen Stickoxide stromabwärts der Stickoxidspeicherkomponente 28 detektiert werden und gleichzeitig die Temperatur T_ox des Oxidationskatalysators 38 im für die Lachgasbildung kritischen Bereich liegt, wird das elektrische Heizelement 36 der elektrischen Heizeinrichtung 34 aktiviert, um den Oxidationskatalysator 38 in die bezüglich der Lachgasbildung unkritische Temperaturzone III aufzuheizen.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verminderung der Lachgasemissionen. In einem Verfahrensschritt <100> wird die Temperatur T_NS der Stickoxidspeicherkomponente 28 ermittelt. Dies kann durch einen Temperatursensor 50 oder durch ein im Steuergerät 60 hinterlegtes Berechnungsmodell erfolgen. In einem Verfahrensschritt <110> wird die Temperatur T_OX des Oxidationskatalysators 38 ermittelt. Dies kann durch einen Temperatursensor 52 oder durch ein im Steuergerät 60 hinterlegtes Berechnungsmodell erfolgen. In einem Verfahrensschritt <120> wird die aktuelle Betriebssituation des Verbrennungsmotors 10 ermittelt. In einem Verfahrensschritt <130> wird die Konzentration des Stickoxide in der Abgasanlage 20 stromaufwärts der Stickoxidspeicherkomponente 28 ermittelt. Dies kann durch einen Stickoxidsensor 54 oder durch ein im Steuergerät 60 des Verbrennungsmotors 10 erfolgen. Zusätzlich wird in einem Verfahrensschritt <140> die Stickoxidkonzentration stromabwärts der Stickoxidspeicherkomponente 28 ermittelt. In einem Verfahrensschritt <150> wird berechnet, ob die Voraussetzungen zur Bildung von Lachgas als Sekundäremission am Oxidationskatalysator 38 erfüllt sind. Ist dies der Fall, so wird der Oxidationskatalysator 38 in einem Verfahrensschritt <160> mittels der elektrischen Heizeinrichtung 34 auf eine Temperatur oberhalb der kritischen Temperaturzone II aufgeheizt, um die Lachgasbildung zu minimieren.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Brennraum
14: Kolben
16: Kraftstoffinjektor
18: Auslass
20: Abgasanlage
22: Abgaskanal
24: Abgasturbolader
26: Turbine
28: Stickoxidspeicherkomponente
30: NOx-Speicherkatalysator
32: passiver NOx-Adsorber
34: elektrische Heizeinrichtung
36: elektrisches Heizelement
38: Oxidationskatalysator
40: Abgasnachbehandlungskomponente zur selektiven, katalytischen Reduktion
42: SCR-Katalysator
44: Partikelfilter
46: SCR-Beschichtung
48: Abgassensor
50: erster Temperatursensor
52: zweiter Temperatursensor
54: erster NOx-Sensor
56: zweiter NOx-Sensor
60: Steuergerät
62: Recheneinheit
64: Speichereinheit
66: Programmcode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10242303 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Verminderung der Lachgasemissionen in einer Abgasanlage (20) eines Verbrennungsmotors (10), dessen Auslass (18) mit der Abgasanlage (20) verbunden ist, wobei in der Abgasanlage (20) in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors (10) eine Stickoxidspeicherkomponente (28, 30, 32), stromabwärts der Stickoxidspeicherkomponente (28, 30, 32) eine elektrische Heizeinrichtung (34) und stromabwärts der elektrischen Heizeinrichtung (34) ein Oxidationskatalysator (38) angeordnet sind, umfassend folgende Schritte: • Bestimmen der Temperatur (T_NS) der Stickoxidspeicherkomponente (28, 30, 32) • Bestimmen der Temperatur (T_OX) des Oxidationskatalysators (38) • Ermitteln eines Betriebszustands des Verbrennungsmotors (10) • Aktivieren der elektrischen Heizeinrichtung (34), wenn die Temperaturen (T_NS, T_OX) und der ermittelte Betriebszustand des Verbrennungsmotors (10) eine Lachgasbildung an zumindest einer der Abgasnachbehandlungskomponenten (28, 30, 32, 38) erwarten lässt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beladungszustand der Stickoxidspeicherkomponente (28, 30, 32) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der Stickoxidspeicherkomponente (28, 30, 32) eine erste Stickoxidkonzentration (K_NOX1) und stromabwärts der Stickoxidspeicherkomponente (28, 30, 32) eine zweite Stickoxidkonzentration (K_NOX2) gemessen wird, wobei aus den gemessenen Stickoxidkonzentrationen (K_NOX1, K_NOX2) ein Beladungszustand der Stickoxidspeicherkomponente (28, 30, 32) oder ein Stickoxidaustrag aus der Stickoxidspeicherkomponente (28, 30, 32) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beladungszustand der Stickoxidspeicherkomponente (28, 30, 32) oder ein Stickoxidaustrag aus der Stickoxidspeicherkomponente (28, 30, 32) mittels eines Beladungsmodells berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasanlage (20) stromaufwärts des Oxidationskatalysators (38) eine Konzentration an unverbrannten Kohlenwasserstoffen ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung (34) aktiviert wird, wenn ein Schwellenwert (T_BNOX) für die Stickoxidbeladung der Stickoxidspeicherkomponente (28, 30, 32) überschritten wird.
Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor (10), welcher mit seinem Auslass (18) mit einer Abgasanlage (20) verbunden ist, wobei in der Abgasanlage (20) in Strömungsrichtung eines Abgasstroms des Verbrennungsmotors (10) eine Stickoxidspeicherkomponente (28, 30, 32), stromabwärts der Stickoxidspeicherkomponente (28, 30, 32) eine elektrische Heizeinrichtung (34) und stromabwärts der elektrischen Heizeinrichtung (34) ein Oxidationskatalysator (38) angeordnet sind, sowie mit einem Steuergerät (60), welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Steuergerät (60) ausgeführt wird.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stickoxidspeicherkomponente (28) ein NOx-Speicherkatalysator (30) ist oder einen NOx-Speicherkatalysator (30) umfasst.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Speicherkatalysator (30) ein Niedertemperatur-NOx-Speicherkatalysator ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stickoxidspeicherkomponente (28) ein passiver NOx-Adsorber (32) ist oder einen passiven NOx-Adsorber (32) umfasst.