Verfahren und Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors

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

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.

Ein Forschungskonzept mit einer Abgasanlage welche bereits für eine mehrstufige

Abgasnachbehandlung vorgesehen ist, zeigt auf, dass hier ein Lambdaregelungskonzept benötigt wird, welches die Besonderheiten der jeweiligen Abgasnachbehandlungskomponenten kennt und diese bei ihrem Regelverhalten berücksichtigt. Weiter besteht die Herausforderung darin, dass jede Abgasnachbehandlungskomponente eigene Randbedingungen für eine optimale Konvertierung der Schadstoffkomponenten im Abgas benötigt, um eine maximal effiziente Abgasnachbehandlung zu ermöglichen. Dabei zeigt sich, dass ein aus dem Stand der Technik bekanntes Lambdaregelungskonzept mit starr ausgelegtem Regelsystem nur suboptimale Emissionsergebnisse liefert.

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.

Aus der DE 10 2013 201 734 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Lambdasonden- anordnung im Abgassystem eines Verbrennungsmotor mit wenigstens einer ersten

Lambdasonde stromaufwärts eines Katalysators und wenigstens einer zweiten Lambdasonde stromabwärts des Katalysators bekannt. Dabei ist die zweite Lambdasonde als Sprungsonde ausgebildet. Dabei werden eine Diagnose eines Kennlinienoffsets der ersten 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.

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 Fährbetrieb.

Aus der DE 10 2005 041 659 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit einer Abgasanlage bekannt, in welcher in Strömungsrichtung ein Vorkatalysator und stromabwärts des Vorkatalysators ein Hauptkatalysator angeordnet ist. Dabei ist vorgesehen, dass das Abgas des

Verbrennungsmotors aus dem Abgaskanal abgezapft und über einen Wärmetauscher abgekühlt wird, bevor es dem Abgaskanal stromaufwärts des Vorkatalysators wieder zugeführt wird.

Die DE 10 2016 1 12 657 A1 offenbart ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines

Verbrennungsmotors mit einer Abgasanlage, in welcher stromabwärts eines Drei-Wege- Katalysator ein passiver SCR-Katalysator angeordnet ist, wobei durch einen

unterstöchiometrischen Betrieb des Verbrennungsmotors auf dem Drei-Wege-Katalysator Ammoniak für die selektive katalytische Reduktion auf dem passiven SCR-Katalysator gebildet wird.

Darüber hinaus ist aus der WO 2015 / 040 396 A1 ein Katalysator mit einem ersten Substrat und mit einem zweiten Substrat bekannt, wobei das zweite Substrat eine höhere Zelldichte als das erste Substrat aufweist. Das zweite Substrat ist durch einen Luftspalt vom ersten Substrat beabstandet, wobei das erste Substrat elektrisch beheizbar ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Konvertierungsleistung des

Abgasnachbehandlungssystem weiter zu verbessern und insbesondere die Lambdaregelung derart anzupassen, dass die Effizienz der Abgasnachbehandlungskomponenten weiter gesteigert werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Abgasnachbehandlungssystem zur

Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors gelöst, wobei ein Auslass des

Verbrennungsmotors mit einer Abgasanlage verbindbar ist. In der Abgasanlage sind in

Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors durch die Abgasanlage ein erster Drei-Wege-Katalysator und stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators ein elektrisch beheizbarer Katalysator angeordnet. In der Abgasanlage sind ferner drei Lambdasonden angeordnet, wobei die erste Lambdasonde in Abgasstromrichtung eines Abgases des

Verbrennungsmotors durch die Abgasanlage stromaufwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators und zumindest eine weitere Lambdasonde stromabwärts des ersten Drei-Wege-Katalysators und stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators angeordnet ist. Ferner ist in der Abgasanlage eine dritte Lambdasonde angeordnet, mit welcher die Regelstrecke der

Lambdaregelung in Abgängigkeit von der Abgastemperatur verkürzt oder verlängert werden kann. 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.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale sind vorteilhafte

Verbesserungen und Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Abgasnachbehandlungssystems möglich. In einer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Drei-Wege- Katalysator als Lambdasondenkatalysator mit einer integrierten Lambdasonde ausgeführt ist. Dabei weist der Lambdasondenkatalysator ein erstes Konvertervolumen und ein zweites Konvertervolumen auf, wobei zwischen dem ersten Konvertervolumen und dem zweiten Konvertervolumen die Lambdasonde angeordnet ist. Das erste Konvertervolumen ist vorzugsweise als Startkatalysator und entsprechend kleinvolumig ausgebildet, um ein möglichst schnelles Aufheizen des ersten Konvertervolumens auf seine Light-Off-Temperatur nach dem Kaltstart des Verbrennungsmotors zu ermöglichen. Das zweite Konvertervolumen ist vorzugsweise als Hauptkatalysator und entsprechend großvolumig ausgestaltet, um ein größeres Katalysatorvolumen bereitzustellen und insbesondere in einem Hochlastbetrieb des Verbrennungsmotors eine entsprechende Konvertierungsleistung für die limitierten

Abgaskomponenten bereitzustellen. Zudem bietet ein Abgasnachbehandlungssystem mit einem Lambdasondenkatalysator Vorteile bezüglich des Bauraumbedarfs, da stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators kein weiterer Katalysator angeordnet ist. Durch die motornahe zweite Lambdasonde ist eine vereinfachte Aufrechterhaltung eines minimalen Regelkreises für die Eigenfrequenzregelung der Lambdasonden möglich, sodass diese

Regelung zeitlich schneller nach einem Kaltstart und/oder in einem Schwachlastbetrieb des Verbrennungsmotors aktivierbar ist. Dabei ist unter einem Lambdasondenkatalysator ein Drei- Wege-Katalysator zu verstehen, in dessen Gehäuse eine Lambdasonde angeordnet ist. Dabei kann die Lambdasonde in einer Ausfräsung oder in einem Zwischenraum zwischen zwei Substraten, welche in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, angeordnet sein.

In einer weiteren Verbesserung des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass die in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors letzte Lambdasonde

stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators angeordnet ist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Katalysator stromabwärts der letzten Lambdasonde zeitnah nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors seine Light-Off-Temperatur erreicht. Somit kann die letzte Lambdasonde vergleichsweise schnell für die Eigenfrequenzregelung genutzt werden, da das Katalysatorvolumen des elektrisch beheizbaren Katalysators entsprechend aktiv ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators ein weiterer

Katalysator, insbesondere ein weiterer Drei-Wege-Katalysator oder ein Vier-Wege-Katalysator, angeordnet sind. Durch einen weiteren Katalysator kann das katalytisch wirksame Volumen vergrößert werden, sodass auch bei einem längeren Hochlastbetrieb ein hinreichendes Katalysatorvolumen zur Konvertierung der Schadstoffe zur Verfügung steht. Ferner können bei einem Durchbruch durch den elektrisch beheizbaren Katalysator die im Abgas verbleibenden Schadstoffe durch den dritten Katalysator konvertiert werden, sodass die Effizienz des

Abgasnachbehandlungssystems weiter gesteigert werden kann.

Bevorzugt ist dabei, wenn alle drei Katalysatoren eine Drei-Wege-katalytisch wirksame

Beschichtung aufweisen und zumindest einer der Katalysatoren ein Substrat zur Zurückhaltung von Rußpartikeln aufweist. Auf diese Weise können neben einer maximal effizienten

Konvertierung der gasförmigen Schadstoffkomponenten auch die Partikelemissionen aus dem Abgas zurückgehalten und somit die Emissionen weiter reduziert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste

Lambdasonde als Breitbandsonde und die weiteren Lambdasonden jeweils als Sprungsonde aufgeführt sind. Durch eine Breitbandsonde kann eine quantitative Bestimmung des

Verbrennungsluftverhältnisses im Abgaskanal erfolgen. Durch die Sprungsonden kann ein Durchbruch durch den jeweiligen Katalysator erkannt werden, um im Rahmen der

Lambdaregelung das Verbrennungsluftverhältnis entsprechend anzupassen. Da Sprungsonden günstiger sind als Breitbandsonden, können somit die Kosten für die Lambdasondenanordnung gering gehalten werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass der elektrisch beheizbare Katalysator als Vier-Wege-Katalysator ausgeführt 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. Der Partikelfilter kann eine 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.

Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Partikelfilter des Vier-Wege-Katalysators ein elektrisch leitendes Filtersubstrat aufweist, wobei das Filtersubstrat durch das Anlegen einer elektrischen Spannung direkt beheizbar ist. Durch ein elektrisch beheizbares Filtersubstrat kann ein direktes Beheizen der katalytisch wirksamen Struktur erfolgen. Dadurch ist kein vorgeschaltetes Heizelement notwendig. Zudem kann durch ein elektrisches Beheizen des Filtersubstrats die Regeneration des Vier-Wege-Katalysators unterstützt werden, um die im Vier-Wege-Katalysator zurückgehaltenen Rußpartikel zu oxidieren.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem und einem Motorsteuergerät vorgeschlagen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

Starten des Verbrennungsmotors, wobei das

Regeln des Verbrennungsluftverhältnisses des Verbrennungsmotors in einer

Kaltstartphase des Verbrennungsmotors durch die erste Lambdasonde erfolgt,

Beheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators ab dem Kaltstart des

Verbrennungsmotors,

Erweitern der Lambdaregelung auf die Lambdasonde stromabwärts des in

Strömungsrichtung jeweils letzten Katalysators, welcher seine Light-Off-Temperatur erreicht hat.

Jede Vorrichtung zur katalytischen Abgasreinigung benötigt zum Erreichen einer Wirksamkeit das Überschreiten einer Mindesttemperatur, der sogenannten Light-off-Temperatur. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann zeitnah nach einem Kaltstart oder in einem

Schwachlastbetrieb eines Verbrennungsmotors ein zusätzliches Katalysatorvolumen

bereitgestellt werden. Durch die Lambdaregelung auf die jeweils letzte Lambdasonde unmittelbar stromaufwärts eines Katalysators, welcher seine Light-Off-Temperatur erreicht hat, erfolgt eine möglichst effiziente Nutzung des aktiven Katalysatorvolumens. Dadurch ist eine besonders effiziente Konvertierung der Schadstoffe möglich, wodurch die Endrohremissionen minimiert werden können.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens 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 das komplette Katalysatorvolumen 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.

Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das elektrische Beheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators nach dem Kaltstart solange aktiviert bleibt, dass ein Auskühlen des elektrisch beheizbaren Katalysators unter seine Light-Off-Temperatur vermieden wird. Dadurch kann das Katalysatorvolumen des beheizbaren Katalysators ab dem Erreichen seiner Light-Off- Temperatur dauerhaft genutzt werden. Somit kann die Eigenfrequenzregelung durch die zweite Lambdasonde erfolgen und bei höheren Abgastemperaturen auf die dritte Lambdasonde ausgeweitet werden. Zudem steht mit dem Katalysatorvolumen des elektrisch beheizbaren Katalysators und des ersten Katalysators ab Erreichen der Light-Off-Temperatur ein entsprechend großes Katalysatorvolumen zur Verfügung, um eine effiziente

Abgasnachbehandlung des Abgases des Verbrennungsmotors sicherzustellen.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass die

Lambdaregelung durch die erste Lambdasonde und die zweite Lambdasonde erfolgt, wenn die Temperatur eines weiteren Katalysators stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators im Betrieb des Verbrennungsmotors unter seine Light-Off-Temperatur absinkt. Dadurch wird die Regelstrecke der Eigenfrequenz-Regelung zwar verkürzt, jedoch kann weiterhin das

Katalysatorvolumen des motornahen ersten Katalysators und des elektrisch beheizbaren Katalysators zur Konvertierung von Schadstoffen genutzt werden. Dadurch kann bei Absinken der Abgastemperatur sichergestellt werden, dass weiterhin eine hocheffiziente

Abgasnachbehandlung möglich ist.

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. Dabei sind gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigen:

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors mit einem

erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem. Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Verbrennungsmotor mit einem

erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem; und

Figur 3 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors.

Figur 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 10 mit einem erfindungsgemäßen

Abgasnachbehandlungssystem in einer schematischen Darstellung. Der Verbrennungsmotor 10 weist eine Mehrzahl von Brennräumen 12 auf, an welchen jeweils eine Zündkerze 14

angeordnet ist. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Einlass 16 auf, mit welchem der Verbrennungsmotor 10 mit einem aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellten

Luftversorgungssystem verbindbar ist. Der Verbrennungsmotor 10 weist ferner einen Auslass 18 auf, mit welchem der Verbrennungsmotor 10 mit einer Abgasanlage 20 verbunden ist, derart, dass ein Abgas aus den Brennräumen 12 des Verbrennungsmotors 10 in die Abgasanlage 20 geleitet werden kann. Die Abgasanlage 20 umfasst einen Abgaskanal 22, in welchem in

Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 22 eine Turbine 26 eines Abgasturboladers 24, stromabwärts der Turbine 26 ein erster Katalysator 28, stromabwärts des ersten Katalysators 28 ein zweiter Katalysator 30 und weiter stromabwärts ein dritter Katalysator 56 angeordnet sind. Der erste Katalysator 28 ist vorzugsweise als Drei- Wege-Katalysator ausgeführt und in einer motornahen Position in der Abgasanlage 20 angeordnet. Unter einer motornahen Position wird in diesem Zusammenhang eine Position mit einer Abgaslauflänge von weniger als 80 cm, vorzugsweise von weniger als 50 cm, ab dem Auslass 18 des Verbrennungsmotors 10 verstanden. Der zweite Katalysator 30 ist als aktiv beheizbarer Katalysator 34, insbesondere als mittels eines elektrischen Heizelements 36 aktiv beheizbarer Drei-Wege-Katalysator ausgeführt. Der dritte Katalysator 56 ist vorzugsweise in einer Unterbodenposition eines Kraftfahrzeuges angeordnet und ebenfalls als Drei-Wege- Katalysator ausgeführt. Vorzugsweise ist einer der Katalysatoren 28, 30, 56 als Vier-Wege- Katalysator 52 ausgeführt, sodass zusätzlich zur Konvertierung der gasförmigen

Abgasbestandteile auch ein Zurückhalten von Rußpartikeln möglich ist.

Stromabwärts der Turbine 26 des Abgasturboladers 24 und stromaufwärts des ersten

Katalysators 28 ist im Abgaskanal 22 eine erste Lambdasonde 38 angeordnet. Die erste Lambdasonde 38 ist vorzugsweise als Breitbandsonde 44 ausgeführt und ermöglicht somit eine quantitative Beurteilung des Verbrennungsluftverhältnisses stromaufwärts des ersten

Katalysators 28. Stromabwärts des ersten Katalysators 28 und stromaufwärts des zweiten Katalysators 30 ist im Abgaskanal 22 eine zweite Lambdasonde 40 vorgesehen, welche vorzugsweise als Sprungsonde 46 ausgeführt ist. Stromabwärts des zweiten Katalysators 30 und stromaufwärts des dritten Katalysators 32 ist im Abgaskanal 22 eine dritte Lambdasonde 42 angeordnet, welche vorzugsweise ebenfalls als Sprungsonde 46 ausgeführt ist. Ferner kann im Abgaskanal 22 ein Temperatursensor 48 angeordnet sein, um die Abgastemperatur zu messen und somit die Bauteiltemperatur der Katalysatoren 28, 30, 32 zu berechnen.

Alternativ zu einem elektrischen Heizelement 52, welches dem Katalysator 30, 56 vorgeschaltet ist, kann bei einer Ausführung des aktiv beheizbaren Katalysators 34 als Vier-Wege-Katalysator 52 auch das Filtersubstrat 54 des Vier-Wege-Katalysators 52 elektrisch leitend und somit direkt beheizbar ausgeführt sein.

Der Verbrennungsmotor 10 sowie die Lambdasonden 38, 40, 42 und der Temperatursensor 48 sind über Signalleitungen mit einem Motorsteuergerät 50 verbunden. Anhand der Informationen der Lambdasonden 38, 40, 42 und des Temperatursensors 48 werden die Einspritzmenge, der Einspritzzeitpunkt und der Zündzeitpunkt in den Brennräumen 12 gesteuert, um eine möglichst emissionsarme Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs gewährleisten zu können. Ferner wird die Position einer Drosselklappe im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors 10 gesteuert, um die den Brennräumen 12 zugeführte Luftmenge zu regeln.

Um die Emissionen des Verbrennungsmotors 10 nach einem Kaltstart zu minimieren, ist die schnelle Bereitstellung eines möglichst großen aktiven Katalysatorvolumens essentiell. Die Eigenfrequenzregelung stellt ein robustes Konzept für die Lambdaregelung dar, da sie sowohl auf den Alterungszustand der katalytisch wirksamen Beschichtung reagiert, als auch weitere Katalysatoreigenschaften der Katalysatoren 28, 30, 56 Prinzip bedingt berücksichtigt. Ziel ist eine möglichst schnelle Aktivierung der Eigenfrequenzregelung nach dem Kaltstart des

Verbrennungsmotors 10. Voraussetzung für eine solche Eigenfrequenzregelung ist jedoch, dass ein Katalysator 30, 56 stromabwärts derjenigen Lambdasonde 40, 42, welche für die Eigenfrequenzregelung herangezogen werden soll, seine Light-Off-Temperatur erreicht hat. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn durch das Verfahren ein möglichst großes

Katalysatorvolumen genutzt werden kann.

Zur Nutzung einer Lambdasonde 38, 40, 42 in der Eigenfrequenz-Regelstrecke der

Lambdaregelung muss der stromabwärts dieser Lambdasonde 38, 40, 42 verbaute Katalysator 28, 30, 56 seine Light-Off-Temperatur erreicht haben. Da dies bei einer motorfernen Position des Katalysators 30, 56, insbesondere in einer Unterbodenlage eines Kraftfahrzeuges, nicht in allen Betriebssituationen des Verbrennungsmotors 10 gewährleistet ist, sorgt eine externe aktive Beheizung dieses Katalysators 30, 56 für die notwendige Temperatur auch in

schwachlastigen Betriebssituationen oder unmittelbar nach dem Kaltstart des

Verbrennungsmotors 10.

Hat der Katalysator 56 stromabwärts des beheizbaren Katalysators 30, 34 seine Light-Off- Temperatur erreicht, kann die Regelstrecke der Eigenfrequenz-Regelung auf die dritte

Lambdasonde 42 erweitert werden und so ein größeres Katalysatorvolumen für die

Konvertierung von schädlichen Abgaskomponenten genutzt werden. Sinkt die Temperatur des dritten Katalysators 56 wieder unter seine Light-Off-Temperatur ab, muss die Regelstrecke der Eigenfrequenz-Regelung wieder verkürzt werden. In diesem Fall erfolgt eine Regelung über die zweite Lambdasonde 40. Die Realisierung der Variabilität in der Eigenfrequenz-Regelstrecke erfordert eine intelligente Detektion des bereits aktiven Katalysatorvolumens der Katalysatoren 28, 30, 56. Dies kann durch ein im Steuergerät 50 des Verbrennungsmotors 10 abgelegtes Berechnungsmodell erfolgen. Das Berechnungsmodell kann die Daten des Temperatursensors 48 nutzen.

In Figur 3 ist ein Ablaufdiagramm zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors 10 mit dem in Figur 1 dargestellten

Abgasnachbehandlungssystem gezeigt. Bei einem Kaltstart <100> des Verbrennungsmotors 10 erfolgt die Lambdaregelung zunächst in einem ersten Verfahrensschritt <110> über die auch als Führungssonde bezeichnete erste Lambdasonde 38. Dabei wird das Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors 10 auf ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis (l = 1 ) eingeregelt. Gleichzeitig erfolgt in einem Verfahrensschritt <120> ein Aufheizen des elektrisch beheizbaren Katalysators 34 mit dem Ziel der möglichst schnellen Nutzung dieses Katalysators 34. Hat der elektrisch beheizbare Katalysator 34 seine Light-Off-Temperatur erreicht und kann zumindest kurzfristig ein Auskühlen dieses Katalysators 34 unter seine Light-Off-Temperatur ausgeschlossen werden, was durch eine Temperaturmessung oder ein im Steuergerät 50 abgelegtes Berechnungsmodell ermittelt werden kann, wird die zweite Lambdasonde 40 stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 34 in die Eigenfrequenzregelung mit einbezogen. Hat auch der dritte Katalysator 56 stromabwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 34 seine Light-Off-Temperatur erreicht, wird in einem nächsten Verfahrensschritt <130> die Eigenfrequenzregelung auf die dritte Lambdasonde 42 ausgedehnt. In

Schwachlastphasen des Verbrennungsmotors 10 kann die Temperatur des dritten Katalysators 56 wieder unter seine Light-Off-Temperatur fallen. In diesem Fall wird die Regelstrecke der Eigenfrequenz-Regelung in einem nächsten Verfahrensschritt <140> auf die zweite Lambdasonde 40 stromabwärts des motornahen ersten Katalysators 28 verkürzt. Steigt die Temperatur des dritten Katalysators 56 im weiteren Betrieb <150> des Verbrennungsmotors 10 durch das Abgas des Verbrennungsmotors 10 wieder auf seine Light-Off-Temperatur, so wird die Regelstrecke der Eigenfrequenz-Regelung in einem Verfahrensschritt <160> wieder auf die dritte Lambdasonde 42 ausgedehnt. Der dritte Katalysator 56 in der Abgasanlage 20 dient zusätzlich der Verhinderung von Emissionsdurchbrüchen während der On-Board-Diagnose der dritten Lambdasonde 42.

In Figur 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Abgasnachbehandlungssystems für einen Verbrennungsmotor 10 dargestellt. Das

Abgasnachbehandlungssystem umfasst ein Motorsteuergerät 50 und eine Abgasanlage 20, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch die

Abgasanlage 20 eine Turbine 26 eines Abgasturbolader 24, stromabwärts der Turbine 26 ein erster Katalysator 28, welcher als ein Lambdasondenkatalysator 32 ausgeführt ist, und stromabwärts des Lambdasondenkatalysators 32 ein zweiter Katalysator 30, welcher als elektrisch beheizbarer Katalysator 34 ausgeführt ist, angeordnet sind. Stromabwärts der Turbine 26 und stromaufwärts des Lambdasondenkatalysators 32 ist eine erste Lambdasonde 38 angeordnet. Stromabwärts des Lambdasondenkatalysators 32 und stromaufwärts des elektrisch beheizbaren Katalysators 34 ist eine dritte Lambdasonde 42 angeordnet. Der Lambdasondenkatalysator 32 umfasst ein erstes Konvertervolumen und ein stromabwärts des ersten Konvertervolumens angeordnetes zweites Konvertervolumen, wobei zwischen dem ersten Konvertervolumen und dem zweiten Konvertervolumen eine zweite Lambdasonde 40 angeordnet ist. Das erste Konvertervolumen ist vorzugsweise kleinvolumig und als

Startkatalysator ausgeführt, um sich nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 10 möglichst schnell auf seine Light-Off-Temperatur aufzuwärmen. Durch die Integration der zweiten Lambdasonde 40 in den ersten Katalysator 28 verringert sich das minimale

Katalysatorvolumen, welches seine Light-Off-Temperatur erreicht haben muss, damit eine Eigenfrequenz-Regelung im kleinstmöglichen Regelkreis mit der ersten Lambdasonde 38 und der zweiten Lambdasonde 40 möglich ist. Der elektrisch beheizbare Katalysator 34 dient zusätzlich der Verhinderung von Emissionsdurchbrüchen während der On-Board-Diagnose der dritten Lambdasonde 42. Bezugszeichenliste

Verbrennungsmotor

Brennraum

Zündkerze

Einlass

Auslass

Abgasanlage

Abgaskanal

Abgasturbolader

Turbine

erster Katalysator zweiter Katalysator

Lambdasondenkatalysator

beheizbarer Katalysator

elektrisches Heizelement

erste Lambdasonde zweite Lambdasonde

dritte Lambdasonde

Breitbandsonde

Sprungsonde

T emperatursensor

Motorsteuergerät

Vier-Wege-Katalysator

Filtersubstrat

dritter Katalysator