Verfahren zur Abgasnachbehandlung und Abgasnachbehandlungssystem

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung bei einem Benzinmotor, sowie ein Abgasnachbehandlungssystem.

Zur Abgasnachbehandlung werden bei Benzinmotoren Dreiwegekatalysatoren eingesetzt. Diese Katalysatoren konvertieren die Schadstoffe, nämlich

Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NOx), in unschädliche Abgasbestandteile, wie Wasser und Kohlendioxid. Für eine ideale Umsetzung ist es notwendig, dass bestimmte Zustände im Katalysator herrschen. So muss die Temperatur des Katalysators über der für die Umsetzung notwendigen Light-off-Temperatur (Anspringtemperatur) liegen. Außerdem müssen die

Reaktionspartner im richtigen Verhältnis zur Verfügung stehen. Dies ist dann der Fall, wenn im Abgas genau so viel Sauerstoff vorhanden ist, dass alle

Abgaskomponenten aufoxidiert werden können. Man spricht dabei von einem Abgaslambdawert von l = 1 ,0.

Um diese idealen Konvertierungsbedingungen im Katalysator sicherzustellen, werden derzeit Ottomotoren mithilfe von Lambdasonden so geregelt, dass der Motor Abgas mit richtigen Lambdawerten liefert. Dazu werden derzeit zwei Lambdasonden verwendet:

1 . Eine lineare Lambdasonde vor einem Dreiwegekatalysator,

2. eine binäre Lambdasonde nach dem Dreiwegekatalysator.

Man spricht von einem LIN/BIN-Lambdasondensystem.

Ziel der Regelung ist es, den Katalysator abwechselnd mit leicht fettem Abgas (l < 1 ) und dann mit leicht magerem Abgas (l > 1 ) zu versorgen, so dass sich im Mittel genau l = 1 ,000 einstellt. Hilfreich ist dabei, dass der Katalysator die Fähigkeit besitzt, Sauerstoff und auch Kohlenmonoxid zu speichern, so dass dadurch immer ausreichend Reaktionspartner zur Verfügung stehen. a. In den Magerphasen werden HC und CO unter Sauerstoffüberschuss

oxidiert und die Stickoxide mit dem gespeicherten CO reduziert und überschüssiger Sauerstoff im Katalysator gespeichert. b. In den Fettphasen wird NOx unter Sauerstoffmangel mit CO reduziert, HC und CO mit dem gespeicherten Sauerstoff oxidiert und überschüssiges CO im Katalysator gespeichert.

Dazu wird die lineare Lambdasonde benutzt, um den wechselnden Lambdasollwert einzuregeln. Die binäre Lambdasonde wird benutzt, um mit einer sogenannten Trimmregelung eine Binär-Sonden-Spannung von 650 mV einzuregeln.

Das ganze System funktioniert nur, wenn es gelingt, den Katalysator immer im Mittel bei l = 1 ,000 zu halten. Sollte zu lange mageres oder fettes Abgas vom Motor kommen, so dass die Speicherfähigkeit nicht mehr ausreicht, kommt es zum Durchbruch. Im Fall eines Magerdurchbruches entstehen dadurch

NOx-Emissionen. Im Fall eines Fettdurchbruches kommt es zu HC- und

CO-Emissionen. Um dies zu vermeiden, werden für Niedrigst-Emissionskonzepte zur Erfüllung der neuesten Abgasgesetzgebungen immer größere Katalysatoren bzw. Katalysatoren mit höherer Speicherfähigkeit (mehr Edelmetallbeladung) bzw. zusätzliche Katalysatoren im Unterflur der Fahrzeuge eingesetzt.

Aufgrund des sehr dynamischen Betriebes und der vielen Stellgrößen eines modernen Verbrennungsmotors (variable VentilsteuerungA/entilhub) kommt es jedoch immer wieder zu Lambdaabweichungen vom Sollwert. Aus diesem Grund ist nicht sichergestellt, dass die zeitlich vorgesteuerten Fett- und Magerphasen sich im Mittel aufheben. Im Prinzip sollte die Trimmregelung ungleiche Fett- und

Magerphasen ausgleichen. Allerdings ist dieser Regler sehr langsam. Kommt es zu mehreren größeren Lambdaabweichungen hintereinander, kann es deshalb zu Durchbrüchen kommen. Das Grundproblem des LIN/BIN-Systems ist, dass man den Katalysator in einem sehr engen Konvertierungsfenster betreibt. Kleine Abweichungen in die eine oder andere Richtung führen dadurch schon zu Emissionen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur

Abgasnachbehandlung zur Verfügung zu stellen, mit dem der Emissionsausstoß besonders stark reduziert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur

Abgasnachbehandlung bei einem Benzinmotor gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:

Betreiben eines im Abgasstrang des Motors angeordneten ersten

Dreiwegekatalysators im leicht sauerstoffarmen Bereich;

Betreiben eines stromab hiervon im Abgasstrang des Motors angeordneten zweiten Dreiwegekatalysators im leicht sauerstoffreichen Bereich;

Einblasen von Sekundärluft zwischen den beiden Dreiwegekatalysatoren in den Abgasstrang.

Die vorstehend genannten Probleme werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwei Katalysatoren in unterschiedlichen Zuständen betrieben werden. Der erste Dreiwegekatalysator (Hauptkatalysator) wird dabei so betrieben, dass er sicher alle Stickoxide reduzieren kann. Zu diesem Zweck wird er etwas mehr im sauerstoffarmen Bereich betrieben.

Wenn man den ersten Dreiwegekatalysator auf diese Weise betreibt, hat man das Problem, dass keine 100%ige Konvertierung von HC und CO möglich ist. Es wird also immer einen leichten HC- und CO-Schlupf geben. Um diese Komponenten nun vollständig umzusetzen, findet ein zweiter Dreiwegekatalysator Verwendung. Wichtig für die Umsetzung des HC und CO ist aber, dass ausreichend Sauerstoff vorhanden ist. Zu diesem Zweck wird zwischen den beiden Katalysatoren

Sekundärluft eingeblasen. Der zweite Dreiwegekatalysator soll sicher alles Rest-HC und Rest-CO umsetzen. Deshalb muss der Katalysator im sauerstoffreichen Bereich betrieben werden.

Die vorliegende Erfindung sieht ferner im Hinblick auf die Gesetzgebung ein besonders robustes Regelkonzept vor, um auch mit kleineren Katalysatorvolumina stabil die Abgasgrenzwerte einzuhalten. Um dies zu verwirklichen, findet erfindungsgemäß vorzugsweise ein NOx-Sensor als NH3-Sensor Verwendung, um eine Regelung des ersten Dreiwegekatalysators im leicht sauerstoffarmen Bereich (leicht fetten Bereich) zu realisieren.

Ein Betrieb des Katalysators im sauerstoffarmen Bereich ist dann der Fall, wenn beispielsweise eine binäre Nachkat-Sonde eine Sondenspannung von 800 mV anzeigt. Die Regelung mit einer binären Nachkat-Sonde stößt jedoch hierbei an ihre Grenzen, da das Sondensignal im Bereich von 800 mV bereits sehr flach ist, was es nahezu unmöglich macht, auf diesen Sollwert zu regeln.

Erfindungsgemäß wird hierfür ein NOx-Sensor verwendet, der eine starke

Querempfindlichkeit zu Ammoniak (NH3) hat. Betreibt man den ersten

Dreiwegekatalysator im Bereich von 800 mV Nachkat-Sondenspannung, so ist das der Bereich, in dem Ammoniak erzeugt wird. Dies kann erfindungsgemäß genutzt werden, um mit dem NOx-Sensor eine Zwei-Punkt-Regelung des ersten

Dreiwegekatalysators durchzuführen.

Dies kann beispielsweise in der folgenden Weise erfolgen:

1 . Man betreibt den Motor so lange mager (beispielsweise l = 1 ,02), bis die Binär-Sondenspannung 650 mV erreicht hat.

2. Dann betreibt man den Motor so lange fett (beispielsweise l = 0,98), bis man einen NH3-Anstieg mit dem NOx-Sensor erkannt hat.

Erfindungsgemäß wird somit ein NOx-Sensor für Regelungszwecke des ersten Dreiwegekatalysators eingesetzt. Da ein derartiger NOx-Sensor eigentlich aus drei Sensoren besteht, nämlich einer Binär-Lambdasonde, einer Linear-Lambdasonde und dem eigentlichen NOx-Sensor, müssen erfindungsgemäß zur Durchführung der geschilderten Regelung keine zwei Sensoren verwendet werden. Man kann hierbei einfach das Binär-Sondensignal des NOx-Sensors benutzen.

Was den zweiten Dreiwegekatalysator anbetrifft, so findet hierbei vorzugsweise eine binäre Lambdasonde Verwendung, um eine Regelung des zweiten

Dreiwegekatalysators im leicht sauerstoffreichen Bereich zu realisieren. Diese Regelung ist erforderlich, um den zweiten Dreiwegekatalysator ebenfalls

abwechselnd mager und fett zu betreiben und im Mittel sehr nah bei l = 1 zu halten.

Die zur Regelung des zweiten Dreiwegekatalysators verwendete binäre

Lambdasonde sollte dabei eine Sondenspannung von weniger als 400 mV anzeigen (leicht sauerstoffreicher Bereich). Um die Sauerstoffbeladung des zweiten Dreiwegekatalysators so zu regeln, kommt erfindungsgemäß eine Binärsonde zum Einsatz, die vorzugsweise auf einen mageren Binär-Sonden-Sollwert

(beispielsweise 300 mV) geregelt wird.

Da das Abgas nach dem ersten Dreiwegekatalysator nur minimal fett ist, darf auch nur sehr wenig Sekundärluft hinzugeführt werden. Das System erfordert daher eine genaue Dosierung der Sekundärluft. So wird vorzugsweise abwechselnd die Sekundärluft ein- und ausgeschaltet, um die Mager- und Fettphasen zu realisieren, wobei die Dauer der Einschaltzeiten bzw. die Sekundärluftmengen anhand der Sondenspannung der Binärsonde geregelt wird.

In Bezug auf die erfindungsgemäß durchgeführte Regelung sind somit drei Schritte von wesentlicher Bedeutung:

Die Verwendung des NOx-Sensors als NFb-Sensor, um eine Regelung des ersten Dreiwegekatalysators im leicht fetten Bereich zu realisieren, die Verwendung von Sekundärluft, um die Katalysatoren in unterschiedlichen Lambdabereichen zu betreiben, und die Regelung der Sekundärluft mittels der verwendeten binären Sonde, um den zweiten Dreiwegekatalysator im leicht mageren Bereich zu betreiben. Insgesamt wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Reihe von Vorteilen erzielt. Hierzu zählen: eine stabilere Regelung des Abgasnachbehandlungssystems und damit weniger Emissionen in den entsprechenden Fahrzyklen (auch

RDE-Fahrzyklen), eine mögliche Reduzierung der Edelmetallbeladung der Katalysatoren und eine einfachere Diagnose des Hauptkatalysators über den NOx-Sensor.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein

Abgasnachbehandlungssystem eines Benzinmotors mit einem im Abgasstrang angeordneten ersten Dreiwegekatalysator, einem im Abgasstrang stromab hiervon angeordneten zweiten Dreiwegekatalysator und einer Einrichtung zum Einblasen von Sekundärluft in den Abgasgasstrang zwischen den beiden

Dreiwegekatalysatoren .

Ein mit einem derartigen Abgasnachbehandlungssystem durchgeführtes Verfahren wurde vorstehend erläutert. Ferner wurde ein Verfahren zur Regelung eines derartigen Abgasnachbehandlungssystems beschrieben. Für diese

Regelungszwecke weist das System vorzugsweise einen als NH3-Sensor verwendeten NOx-Sensor auf, um den ersten Dreiwegekatalysator im leicht sauerstoffarmen Bereich zu regeln. Hierfür ist der NOx-Sensor zweckmäßiger weise im ersten Dreiwegekatalysator angeordnet.

Zur Regelung des zweiten Dreiwegekatalysators im leicht sauerstoffreichen Bereich weist das System vorzugsweise eine binäre Lambdasonde auf.

Prinzipiell ist es sinnvoll, sowohl nach dem NOx-Sensor als auch nach der

Binärsonde aktives Katalysatorvolumen zur Verfügung zu haben. Für den

NOx-Sensor ist der Grund hierfür, dass es eine gewisse Zeit dauert, bis ein Umschalten von fett auf mager durchgeführt ist. Erkennt also der NOx-Sensor einen Anstieg von NH3, so soll es nicht gleich zu einem NH3-Durchbruch kommen, weshalb der Sensor vorzugsweise nicht hinter dem Katalysator, sondern im

Katalysator selbst (beispielsweise auf 2/3 der Länge) oder zwischen zwei Bricks des Hauptkatalysators angeordnet ist. Für die Binärsonde ist der Grund die Diagnose des Katalysators bzw. der Sonde selbst. Um die Sauerstoffspeicherfähigkeit des zweiten Katalysators zu testen, muss so lange fett bzw. mager gefahren werden, bis es zum Durchbruch kommt. Wäre jetzt kein weiteres Katalysatorvolumen vorhanden, käme es zu erhöhten Emissionen während der Diagnose.

Das System besitzt zweckmäßigerweise eine lineare Lambdasonde stromauf des ersten Dreiwegekatalysators.

Damit die vorgesehene Binärsonde die Sekundärluftzufuhr regeln kann, hat die Einrichtung zum Einblasen von Sekundärluft vorzugsweise eine

Sekundärluftpumpe und ein Sekundärluftventil.

Der vorgesehene zweite Dreiwegekatalysator kann vorzugsweise als

Unterflurkatalysator ausgebildet sein.

Der zweite Dreiwegekatalysator kann auch als Vierwegekatalysator ausgebildet sein. Dieser Katalysator kann nämlich ein reiner Dreiwegekatalysator sein oder auch ein Partikelfilter mit Dreiwegekatalysatorbeschichtung (Vierwegekatalysator).

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Abgasnach- behandlungssystems; und

Figur 2 eine vergrößerte Darstellung des Systems der

Figur 1.

Figur 1 zeigt schematisch einen Benzinmotor (Ottomotor) 10, der einen

Luftzuführstrang 11 und einen Abgasstrang 1 aufweist. Im Abgasstrang 1 ist ein erster Dreiwegekatalysator 2 angeordnet, dem ein zweiter Dreiwegekatalysator 3 folgt. Eine lineare Lambdasonde 7 ist dem ersten Dreiwegekatalysator 2 vorgeschaltet. Der erste Dreiwegekatalysator 2 ist mit einem NOx-Sensor 8 versehen, der im Katalysator auf 2/3 der Länge desselben angeordnet ist.

Der zweite Dreiwegekatalysator 3 befindet sich stromab des ersten

Dreiwegekatalysators 2 und weist eine binäre Lambdasonde 9 auf. In den

Abgasstrang 1 zwischen die beiden Katalysatoren 2, 3 mündet eine

Sekundärluftleitung 4, mittels der Sekundärluft über eine Sekundärluftpumpe 6 und ein Sekundärluftventil 5 eingeblasen wird.

Die Funktionsweise des vorstehend beschriebenen

Abgasnachbehandlungssystems wird anhand von Figur 2 erläutert. Das System weist eine übliche lineare Lambdasonde 7 auf, die in bekannter Weise Signale über eine Leitung 18 an eine Steuereinheit (nicht gezeigt) abgibt, welche das dem Motor 2 zugeführte Luft-Kraftstoff-Gemisch regelt. Der erste Dreiwegekatalysator 2 (Hauptkatalysator) wird nunmehr so betrieben, dass er sicher alle Stickoxide reduzieren kann. Zu diesem Zweck wird er im sauerstoffarmen Bereich betrieben. Als Sensor zum Regeln dient hierbei der NOx-Sensor 8, der einerseits den Anteil des im Katalysator erzeugten Ammoniaks (NH3) erkennt und andererseits ein Binärsondensignal liefert, um eine entsprechende Sondenspannung einer vergleichbaren binären Nachkat-Sonde zu erfassen. Beide Signale werden über Leitungen 19 und 12 der Steuereinheit zugeführt, um die entsprechende Regelung durchzuführen.

Ähnlich wie der erste Katalysator 2 muss auch der zweite Katalysator 3 abwechseln mager und fett betrieben werden, wofür ebenfalls eine Regelung notwendig ist, um den zweiten Katalysator 3 im Mittel sehr nah bei l = 1 zu halten. Um die

Sauerstoffbeladung des zweiten Katalysators 3 entsprechend zu regeln, kommt eine Binärsonde 9 zur Anwendung, mit der auf einen mageren

Binärsonden-Sollwert geregelt wird. Hierzu werden entsprechende Signale 13 an die Steuereinheit abgegeben.

Da das Abgas nach dem ersten Katalysator 2 nur minimal fett ist, darf auch nur sehr wenig Sekundärluft hinzugegeben werden. Das System erfordert daher eine genaue Dosierung der Sekundärluft. So wird abwechselnd die Sekundärluft über das Sekundärluftventil 5 ein- und ausgeschaltet, um die Mager- und Fettphasen zu realisieren. Die Dauer der Einschaltzeiten bzw. die Sekundärluftmengen werden anhand der Sondenspannung der Binärsonde 9 geregelt. Die entsprechende Ansteuerung der Sekundärluftpumpe 6 und des Sekundärluftventils 5 ist hierbei bei 14 und 15 angedeutet.