DE102015215373A1 - A method for the regeneration of exhaust aftertreatment components of an internal combustion engine and exhaust aftertreatment device for an internal combustion engine - Google Patents

A method for the regeneration of exhaust aftertreatment components of an internal combustion engine and exhaust aftertreatment device for an internal combustion engine Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors. Die Vorrichtung umfasst einen aufladbaren, fremdgezündeten Verbrennungsmotor (10), umfassend einen Frischluftkanal (12) und einen Abgaskanal (20), wobei im Frischluftkanal (12) ein Verdichter (14) zur Verdichtung der Frischluft und stromab des Verdichters (14) eine Sekundärluftleitung (16) vorgesehen ist, welche den Frischluftkanal (12) mit dem Abgaskanal (20) verbindet, wobei im Abgaskanal (20) ein Drei-Wege-Katalysator (22) und stromab des Drei-Wege-Katalysators (22) ein Partikelfilter (24) angeordnet ist. Das Verfahren umfasst folgende Prozesse: – Ermittlung eines Beladungszustandes des Partikelfilters (24), – Wenn der Beladungszustand eine Regeneration des Partikelfilters (24) erfordert, Anhebung der Abgastemperatur auf eine Regenerationstemperatur des Partikelfilters (24) durch zumindest zeitweiliges Verstellen einer Gemischbildung für den Verbrennungsmotor (10) auf ein unterstöchiometrisches (fettes) Verbrennungsluftverhältnis (λE < 1) und zumindest zeitweise gleichzeitiges Einbringen von Sekundärluft in den Abgaskanal (20) stromauf des Drei-Wege-Katalysators (22), wobei – die unverbrannten Kohlenwasserstoffe im Abgaskanal (20) durch die Sekundärluft exotherm umgesetzt werden, und – in einer Regenerationsphase des Partikelfilters (24) die Sekundärluftmenge derart erhöht wird, dass sich im Abgaskanal (20) vor Eintritt in den Partikelfilter (24) ein überstöchiometrisches Mischungsluftverhältnis (λM > 1) einstellt, sodass Ruß auf dem Partikelfilter (24) durch den Sauerstoffüberschuss oxidiert wird.The invention relates to a method and a device for exhaust aftertreatment of an internal combustion engine. The device comprises a chargeable, spark-ignited internal combustion engine (10) comprising a fresh air duct (12) and an exhaust duct (20), wherein in the fresh air duct (12) a compressor (14) for compressing the fresh air and downstream of the compressor (14) a secondary air duct ( 16) is provided which connects the fresh air duct (12) to the exhaust duct (20), wherein in the exhaust duct (20) a three-way catalytic converter (22) and downstream of the three-way catalytic converter (22) a particle filter (24). is arranged. The method comprises the following processes: determination of a charge state of the particulate filter 24, if the load state requires regeneration of the particulate filter 24, raising the exhaust gas temperature to a regeneration temperature of the particulate filter 24 by at least temporarily adjusting mixture formation for the internal combustion engine (FIG. 10) to a substoichiometric (rich) combustion air ratio (λE <1) and at least temporarily simultaneous introduction of secondary air into the exhaust passage (20) upstream of the three-way catalyst (22), wherein - the unburned hydrocarbons in the exhaust passage (20) through the Secondary air are exothermally reacted, and - in a regeneration phase of the particulate filter (24), the secondary air quantity is increased so that in the exhaust passage (20) before entering the particulate filter (24) a superstoichiometric mixture air ratio (λM> 1) sets so that soot on the Particle filter (24) through the Sa excess oxygen is oxidized.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines aufladbaren, fremdgezündeten Verbrennungsmotors sowie eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens gemäß den unabhängigen Ansprüchen. The invention relates to a method for the exhaust aftertreatment of a chargeable, spark-ignited internal combustion engine and to an exhaust aftertreatment device for carrying out such a method according to the independent claims.

Die kontinuierliche Verschärfung der Abgasgesetzgebung stellt hohe Anforderungen an die Fahrzeughersteller, welche durch entsprechende Maßnahmen zur Reduktion der motorischen Rohemissionen und durch eine entsprechende Abgasnachbehandlung gelöst werden. Mit Einführung der Gesetzgebungsstufe EU6 wird für Ottomotoren ein Grenzwert für eine Partikelanzahl vorgeschrieben, der in vielen Fällen den Einsatz eines Ottopartikelfilters notwendig macht. Im Fahrbetrieb wird ein solcher Ottopartikelfilter mit Ruß beladen. Damit der Abgasgegendruck nicht zu stark ansteigt, muss dieser Ottopartikelfilter kontinuierlich oder periodisch regeneriert werden. Um eine thermische Oxidation des im Ottopartikelfilter zurückgehaltenen Rußes mit Sauerstoff durchzuführen, ist ein hinreichend hohes Temperaturniveau in Verbindung mit gleichzeitig vorhandenem Sauerstoff in der Abgasanlage des Ottomotors notwendig. Da moderne Ottomotoren normalerweise ohne Sauerstoffüberschuss mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λ = 1) betrieben werden, sind dazu zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Dazu kommen als Maßnahmen beispielsweise eine Temperaturerhöhung durch eine Zündwinkelverstellung, eine zeitweise Magerverstellung des Ottomotors, das Einblasen von Sekundärluft in die Abgasanlage oder eine Kombination dieser Maßnahmen infrage. Bevorzugt wird bislang eine Zündwinkelverstellung in Richtung spät in Kombination mit einer Magerverstellung des Ottomotors angewandt, da dieses Verfahren ohne zusätzliche Bauteile auskommt und in den meisten Betriebspunkten des Ottomotors eine ausreichende Sauerstoffmenge liefern kann. The continuous tightening of the exhaust emission legislation places high demands on the vehicle manufacturers, which are solved by appropriate measures for the reduction of the engine raw emissions and by a corresponding exhaust aftertreatment. With the introduction of the legislative level EU6, a limit value for gasoline engines is prescribed for a number of particles, which in many cases necessitates the use of an Otto particle filter. When driving, such a gasoline particulate filter is loaded with soot. So that the exhaust gas backpressure does not increase too much, this Otto particle filter must be regenerated continuously or periodically. In order to carry out a thermal oxidation of the soot retained in the Otto particle filter with oxygen, a sufficiently high temperature level in conjunction with simultaneously existing oxygen in the exhaust system of the gasoline engine is necessary. Since modern gasoline engines are normally operated without oxygen surplus with a stoichiometric combustion air ratio (λ = 1), additional measures are required. These come as measures, for example, a temperature increase by a Zündwinkelverstellung, a temporary lean adjustment of the gasoline engine, the injection of secondary air into the exhaust system or a combination of these measures in question. An ignition angle adjustment in the direction of late in combination with a lean adjustment of the gasoline engine is preferably used so far, since this method requires no additional components and can deliver a sufficient amount of oxygen in most operating points of the gasoline engine.

Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der DE 10 2013 220 899 A1 bekannt. Dabei ist eine Lambda-Regelung für den Ottomotor vorgesehen, wobei das Verbrennungsluftverhältnis zur Regeneration des Partikelfilters ausgehend von einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis in Richtung eines überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis verstellt wird, und mit dem Sauerstoffüberschuss eine Regeneration des Partikelfilters durch ein Oxidieren des Rußes erreicht wird. Nachteilig an einem solchen Verfahren ist jedoch, dass gerade in Schwachlastzyklen des Verbrennungsmotors eine zur Regeneration des Partikelfilters notwendige Temperatur nicht mit Sicherheit erreicht wird. Such a method is for example from the DE 10 2013 220 899 A1 known. In this case, a lambda control is provided for the gasoline engine, wherein the combustion air ratio is adjusted to regenerate the particulate filter, starting from a stoichiometric combustion air ratio in the direction of a superstoichiometric combustion air ratio, and with the oxygen excess regeneration of the particulate filter is achieved by oxidizing the soot. A disadvantage of such a method, however, is that especially in low-load cycles of the internal combustion engine necessary for the regeneration of the particulate filter temperature is not reached with certainty.

Aus der DE 10 2011 118 337 A1 ist eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung bekannt, bei der mittels eines Turboladers Ansaugluft verdichtet und als Sekundärluft stromab eines Drei-Wege-Katalysators und stromauf eines Partikelfilters in den Abgaskanal eingebracht wird. Dabei wird der Verbrennungsmotor mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis, bei dem eine Abgasreinigung durch den Drei-Wege-Katalysator erfolgen kann, oder mit einem überstöchiometrischen, mageren Verbrennungsluftverhältnis betrieben, bei dem die nicht im Drei-Wege-Katalysator reduzierten NOx-Emissionen in einem NOx-Speicherkatalysator eingelagert werden. Nachteilig ist, dass auch bei einer solchen Lösung im Schwachlastzyklus die zur Regeneration des Partikelfilters notwendigen Temperaturen nicht mit Sicherheit erreicht werden, insbesondere dann nicht, wenn der Partikelfilter in Unterbodenlage unter einem Kraftfahrzeug verbaut ist. From the DE 10 2011 118 337 A1 An exhaust aftertreatment device is known in which intake air is compressed by means of a turbocharger and introduced as secondary air downstream of a three-way catalytic converter and upstream of a particle filter into the exhaust gas duct. In this case, the internal combustion engine is operated with a stoichiometric combustion air ratio at which exhaust gas purification by the three-way catalytic converter can take place, or with a lean of stoichiometric, lean combustion air ratio, in which the NOx emissions not reduced in the three-way catalytic converter in a NOx Storage catalyst to be stored. The disadvantage is that even with such a solution in the low load cycle necessary for the regeneration of the particulate filter temperatures are not reached with certainty, especially not if the particulate filter is installed in underfloor under a motor vehicle.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Abgasnachbehandlungsverfahren und eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung bereitzustellen, bei denen auch in Fahrzyklen mit geringer Last eine sichere Regeneration des Partikelfilters möglich ist. The invention is based on the object to provide an exhaust gas aftertreatment process and an exhaust aftertreatment device, in which a safe regeneration of the particulate filter is possible even during driving cycles with low load.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines aufladbaren, fremdgezündeten Verbrennungsmotors gelöst, wobei der Verbrennungsmotor einen Frischluftkanal und einen Abgaskanal aufweist, wobei im Frischluftkanal ein Verdichter zur Verdichtung der Frischluft vorgesehen ist, und wobei stromab des Verdichters eine Sekundärluftleitung vorgesehen ist, welche den Frischluftkanal mit dem Abgaskanal verbindet, wobei im Abgaskanal ein Drei-Wege-Katalysator und stromab des Drei-Wege-Katalysators ein Partikelfilter angeordnet ist. Das Verfahren umfassend folgende Schritte:

  • – Ermittlung eines Beladungszustandes des Partikelfilters,
  • – Wenn der Beladungszustand eine Regeneration des Partikelfilters erfordert, Anhebung der Abgastemperatur auf eine Regenerationstemperatur des Partikelfilters durch zumindest zeitweiliges Verstellen einer Gemischbildung für den Verbrennungsmotor auf ein unterstöchiometrisches (fettes) Verbrennungsluftverhältnis und zumindest zeitweise gleichzeitiges Einbringen von Sekundärluft in den Abgaskanal stromauf des Drei-Wege-Katalysators, wobei
  • – die unverbrannten Bestandteile eines Verbrennungsgemischs des Verbrennungsmotors im Abgaskanal durch die Sekundärluft exotherm umgesetzt werden, und
  • – in einer Regenerationsphase des Partikelfilters die Sekundärluftmenge derart erhöht wird, dass sich im Abgaskanal vor Eintritt in den Partikelfilter ein überstöchiometrisches Mischungsluftverhältnis einstellt, sodass Ruß auf dem Partikelfilter durch den Sauerstoffüberschuss oxidiert wird.
The object is achieved by a method for exhaust aftertreatment of a chargeable, spark-ignited internal combustion engine, wherein the internal combustion engine has a fresh air duct and an exhaust duct, wherein in the fresh air duct, a compressor for compressing the fresh air is provided, and wherein downstream of the compressor, a secondary air duct is provided which the fresh air duct connects to the exhaust passage, wherein in the exhaust passage a three-way catalyst and downstream of the three-way catalyst, a particulate filter is arranged. The method comprises the following steps:
  • Determination of a loading state of the particulate filter,
  • If the loading condition requires regeneration of the particulate filter, raising the exhaust gas temperature to a regeneration temperature of the particulate filter by at least temporarily adjusting a mixture formation for the internal combustion engine to a stoichiometric (rich) combustion air ratio and at least temporarily simultaneously introducing secondary air into the exhaust duct upstream of the three-way Catalyst, where
  • - The unburned components of a combustion mixture of the internal combustion engine in the exhaust duct are exothermally reacted by the secondary air, and
  • - In a regeneration phase of the particulate filter, the secondary air amount is increased such that adjusts a stoichiometric mixture air ratio in the exhaust duct before entering the particulate filter, so that soot is oxidized on the particulate filter by the oxygen excess.

Erfindungsgemäß ist bei diesem Verfahren vorgesehen, dass die Sekundärluft stromab der Auslassventile des Verbrennungsmotors und stromauf des Drei-Wege-Katalysators in den Abgaskanal eingeblasen wird. Dadurch können die unverbrannten Bestandteile im Abgaskanal auf dem Drei-Wege-Katalysator oder sogar stromauf des Drei-Wege-Katalysators, beispielsweise bereits im Abgaskrümmer des Verbrennungsmotors, exotherm umgesetzt werden, sodass es zu einer Aufheizung des Abgases im Abgaskanal kommt, um die Regeneration des Partikelfilters zu ermöglichen. According to the invention, it is provided in this method that the secondary air is injected downstream of the exhaust valves of the internal combustion engine and upstream of the three-way catalyst in the exhaust duct. As a result, the unburned components in the exhaust passage on the three-way catalyst or even upstream of the three-way catalyst, for example, already in the exhaust manifold of the engine exothermic be implemented so that it comes to a heating of the exhaust gas in the exhaust duct to the regeneration of To allow particulate filters.

Der Verbrennungsmotor wird in seinem Normalbetrieb, also vor beziehungsweise während der Bestimmung des Beladungszustandes des Partikelfilters, überwiegend mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis (λE = 1) betrieben. In its normal operation, ie before or during the determination of the loading state of the particulate filter, the internal combustion engine is operated predominantly with a stoichiometric combustion air ratio (λ E = 1).

Gemäß einer Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass in einer Heizphase des Partikelfilters der Verbrennungsmotor mit einem unterstöchiometrischen (fetten) Verbrennungsluftverhältnis λE < 1 betrieben wird und die Sekundärluftmenge so eingestellt, insbesondere geregelt wird, dass sich bei Eintritt in den Drei-Wege-Katalysator ein stöchiometrisches Mischungsluftverhältnis λM = 1 einstellt. Dadurch ist die Drei-Wege-Funktion des Drei-Wege-Katalysators während der Heizphase gewährleistet. Somit kann verglichen mit einem Verfahren, bei dem die Sekundärluft erst stromab des Drei-Wege-Katalysators in den Abgaskanal eingeblasen wird, eine schnellere Aufheizung und eine bessere Abgasreinigung erzielt werden. According to a further development of the method, it is provided that in a heating phase of the particulate filter, the internal combustion engine is operated with a substoichiometric (rich) combustion air ratio λ E <1 and the secondary air quantity is adjusted, in particular regulated, such that upon entry into the three-way catalytic converter a stoichiometric mixture air ratio λ M = 1 sets. This ensures the three-way function of the three-way catalyst during the heating phase. Thus, compared with a method in which the secondary air is injected into the exhaust passage only downstream of the three-way catalyst, faster heating and better exhaust gas purification can be achieved.

Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn der Verbrennungsmotor in der Heizphase und/oder in der Regenerationsphase des Partikelfilters mit einem Verbrennungsluftverhältnis λE im Bereich von 0,85 bis 0,95, vorzugsweise von etwa λE = 0,9, betrieben wird. Bei einem solchen Verbrennungsluftverhältnis wird einerseits eine hinreichend hohe Menge an Reduktionsmitteln, insbesondere unverbrannte Kohlenwasserstoffe im Verbrennungsabgas im Abgaskanal bereitgestellt. Zum anderen kommt es in diesem Bereich noch nicht zu einer stark erhöhten Partikelemission des Verbrennungsmotors. It is particularly advantageous if the internal combustion engine in the heating phase and / or in the regeneration phase of the particulate filter with a combustion air ratio λ E in the range of 0.85 to 0.95, preferably from about λ E = 0.9, operated. In such a combustion air ratio, on the one hand, a sufficiently high amount of reducing agents, in particular unburned hydrocarbons, is provided in the combustion exhaust gas in the exhaust gas duct. On the other hand, in this area there is not yet a much increased particle emission of the internal combustion engine.

Zur Regeneration des Partikelfilters ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Mischungsluftverhältnis λM (also das Gemisch aus Verbrennungsabgas und Sekundärluft) in der Regenerationsphase im Bereich von 1,05 bis 1,2, vorzugsweise bei etwa λM = 1,1, eingestellt wird. In diesem Bereich liegt ein hinreichend großer Sauerstoffüberschuss vor, um den Ruß auf dem Partikelfilter zu oxidieren und den Partikelfilter zu regenerieren. Die Sauerstoffmenge ist jedoch gering genug, um ein unkontrolliertes Abbrennen des Rußes auf dem Partikelfilter und ein damit verbundenes Risiko der Schädigung des Partikelfilters zu vermeiden. For the regeneration of the particulate filter it is advantageously provided that the mixture air ratio λ M (ie the mixture of combustion exhaust gas and secondary air) in the regeneration phase in the range of 1.05 to 1.2, preferably at about λ M = 1.1, is set. In this area, there is a sufficiently large excess of oxygen to oxidize the soot on the particulate filter and to regenerate the particulate filter. However, the amount of oxygen is low enough to avoid uncontrolled burning off of the soot on the particulate filter and associated risk of damaging the particulate filter.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Verdichter von einer Turbine im Abgaskanal angetrieben wird und die Sekundärluftleitung stromauf der Turbine in den Abgaskanal mündet, die Sekundärluft also in Abgasströmungsrichtung stromauf der Turbine dem Abgasstrom zugeführt wird. Die Verwendung eines Turboladers mit einer im Abgaskanal angeordneten Turbine und einem im Frischluftkanal angeordneten Verdichter bietet den Vorteil, dass bei einem Einblasen der Sekundärluft stromauf der Turbine in den Abgaskanal die Energie der exothermen Reaktion zum Antrieb der Turbine genutzt werden kann. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn an der Turbine ein die Turbine umgehender Bypass ausgebildet ist, welcher zur Erhöhung der Antriebsleistung des Verdichters verschlossen werden kann. Dadurch kann die Leistung in Schwachlastpunkten angehoben werden, um stets eine hinreichende Menge an Sekundärluft bereitstellen zu können. Zudem kann auf diese Weise der Druck des Verdichters erhöht werden, um ein hinreichendes Druckgefälle zwischen Frischluftleitung und Abgaskanal zu erreichen, um auch in Schwachlastpunkten Sekundärluft gegen den Abgasgegendruck im Abgaskanal in diesen einbringen zu können. Besonders bevorzugt ist dabei, wenn der Bypass in der Heizphase und/oder der Regenerationsphase des Partikelfilters verschlossen wird. Somit kann in den Phasen, in denen die Sekundärluft im Abgaskanal benötigt wird, die Leistung des Verdichters angehoben werden, sodass der Verdichter neben der Bereitstellung der Verbrennungsluft zusätzlich die Luftmenge für die Sekundärlufteinbringung bereitstellen kann. Der Bypass kann als Waste-Gate ausgebildet sein und durch ein entsprechendes Ventil oder eine Klappe verschließbar sein. According to an advantageous development of the method, it is provided that the compressor is driven by a turbine in the exhaust duct and the secondary air duct opens upstream of the turbine into the exhaust duct, ie the secondary air is supplied to the exhaust gas flow upstream of the turbine in the exhaust gas flow direction. The use of a turbocharger with a turbine arranged in the exhaust duct and a compressor arranged in the fresh air duct offers the advantage that the energy of the exothermic reaction can be used to drive the turbine when injecting the secondary air upstream of the turbine into the exhaust duct. It is particularly advantageous if a turbine bypass bypass is formed on the turbine, which can be closed to increase the drive power of the compressor. As a result, the power can be increased at low load points to always provide a sufficient amount of secondary air. In addition, in this way the pressure of the compressor can be increased in order to achieve a sufficient pressure gradient between the fresh air line and exhaust duct in order to be able to introduce secondary air against the exhaust backpressure in the exhaust duct into this at low load points. It is particularly preferred if the bypass is closed in the heating phase and / or the regeneration phase of the particulate filter. Thus, in the phases in which the secondary air is needed in the exhaust duct, the power of the compressor can be increased, so that the compressor can additionally provide the amount of air for the secondary air introduction in addition to providing the combustion air. The bypass can be designed as a waste gate and can be closed by a corresponding valve or a flap.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das überstöchiometrische Mischungsluftverhältnis λM zur Regenerationsphase des Partikelfilters für ein Zeitintervall im Bereich von 200 bis 1000 s, vorzugsweise im Bereich von 300 bis 800 s, besonders bevorzugt im Bereich von 500 bis 600 s gewählt wird. In der Regenerationsphase des Partikelfilters kann der Drei-Wege-Katalysator nicht seine volle Wirksamkeit entfalten, da am Drei-Wege-Katalysator während der Regenerationsphase ein überstöchiometrisches Mischungsluftverhältnis vorliegt. Das vorgeschlagene Zeitintervall ermöglicht es zum einen, eine hinreichende Regeneration des Partikelfilters zu erreichen und gleichzeitig das Zeitintervall, in dem der Drei-Wege-Katalysator nicht seine volle Wirksamkeit entfalten kann, möglichst gering zu halten. According to an advantageous further development of the method, it is provided that the superstoichiometric mixture air ratio λ M is selected for the regeneration phase of the particulate filter for a time interval in the range from 200 to 1000 s, preferably in the range from 300 to 800 s, particularly preferably in the range from 500 to 600 s , In the regeneration phase of the particulate filter, the three-way catalyst can not develop its full effectiveness, since there is a superstoichiometric mixture air ratio at the three-way catalyst during the regeneration phase. The proposed time interval makes it possible, on the one hand, to achieve sufficient regeneration of the particulate filter and, at the same time, to keep the time interval in which the three-way catalyst can not develop its full effectiveness as small as possible.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Regenerationsphase die Heizphase vorgeschaltet wird und für ein Zeitintervall im Bereich von 50 bis 300s, vorzugsweise 100s aufrechterhalten wird. Durch eine separate Heizphase kann das Aufheizen des Partikelfilters bei gleichzeitig stöchiometrischem Mischungsluftverhältnis erreicht werden. Somit kann der Drei-Wege-Katalysator während der Aufheizung des Partikelfilters seine volle Wirksamkeit entfalten und wird in seiner Funktion nicht beeinträchtigt. Durch ein vorgeschaltetes, separates Aufheizen des Partikelfilters kann die Regenerationsphase im Vergleich zu einer kombinierten Heiz- und Regenerationsphase verkürzt werden und somit das Zeitintervall reduziert werden, in dem der Drei-Wege-Katalysator außerhalb seiner idealen Arbeitsbedingungen betrieben wird. According to a further advantageous development, it is provided that the regeneration phase is preceded by the heating phase and is maintained for a time interval in the range of 50 to 300 s, preferably 100 s. Through a separate Heating phase, the heating of the particulate filter can be achieved with simultaneous stoichiometric mixture air ratio. Thus, the three-way catalyst during the heating of the particulate filter unfold its full effectiveness and is not impaired in its function. By upstream, separate heating of the particulate filter, the regeneration phase compared to a combined heating and regeneration phase can be shortened, and thus the time interval can be reduced, in which the three-way catalyst is operated outside its ideal working conditions.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Temperatur des Abgases vor Eintritt in den Drei-Wege-Katalysator ermittelt wird, wobei diese Temperatur mit einer Light-Off-Temperatur des Drei-Wege-Katalysators zur Umsetzung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen verglichen wird. Bei einem Nichterreichen dieser Light-Off-Temperatur wird zunächst der Zündwinkel des Verbrennungsmotors in Richtung spät verstellt, bevor das Verbrennungsluftverhältnis λE angepasst wird, insbesondere auf das unterstöchiometrische Verbrennungsluftverhältnis λE < 1 der Regenerationsphase eingestellt wird. Zur exothermen Umsetzung von Kohlenwasserstoffen ist eine sogenannte Light-Off-Temperatur notwendig, um diese exotherme Reaktion zu starten. Diese kann bei Otto-Motoren und den verwendeten Kraftstoffen im Bereich von ca. 300°C bis 400°C liegen. Unterhalb dieser Temperatur ist es notwendig, weitere Maßnahmen zu ergreifen, um das Abgas zunächst in diesen Temperaturbereich zu bringen, da das vorgeschlagene Verfahren mit einer Verbrennungsluftverstellung auf ein unterstöchiometrisches, fettes Gemisch und einer exothermen Umsetzung der unverbrannten Bestandteile nur oberhalb der Light-Off-Temperatur seine Wirkung entfalten kann. Unterhalb dieser Temperatur werden die unverbrannten Kohlenwasserstoffe nicht oder nur in geringem Maße umgesetzt, sodass es neben unerwünschten HC-Emissionen nicht zu einer signifikanten Erhöhung des Abgastemperatur kommt. Um die Abgastemperatur gerade in Schwachlastphasen zu erhöhen, wird daher vorgeschlagen, zusätzlich den Zündwinkel des Verbrennungsmotors in Richtung „spät“ zu verstellen und somit die Abgastemperatur zu erhöhen. According to an advantageous development of the method, it is provided that a temperature of the exhaust gas is determined prior to entry into the three-way catalytic converter, this temperature being compared with a light-off temperature of the three-way catalytic converter for converting unburned hydrocarbons. If this light-off temperature is not reached, the ignition angle of the internal combustion engine is initially adjusted in the direction of late before the combustion air ratio λ E is adjusted, in particular to the substoichiometric combustion air ratio λ E <1 of the regeneration phase. For the exothermic conversion of hydrocarbons, a so-called light-off temperature is necessary to start this exothermic reaction. This can be in gasoline engines and the fuels used in the range of about 300 ° C to 400 ° C. Below this temperature, it is necessary to take further measures to bring the exhaust gas initially in this temperature range, since the proposed method with a combustion air adjustment to a stoichiometric, rich mixture and an exothermic reaction of the unburned constituents only above the light-off temperature can unfold its effect. Below this temperature, the unburned hydrocarbons are not or only to a small extent implemented, so that in addition to undesirable HC emissions does not lead to a significant increase in the exhaust gas temperature. In order to increase the exhaust gas temperature just in light load phases, it is therefore proposed to additionally adjust the firing angle of the engine in the direction of "late" and thus to increase the exhaust gas temperature.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterführung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Leistung des Verdichters für einen begrenzten Zeitabschnitt, insbesondere für die Heizphase und/oder die Regenerationsphase, angehoben wird. Dadurch kann die Luftmenge des Verdichters über die Luftmenge gesteigert werden, welche vom Verbrennungsmotor für die Verbrennung benötigt wird. Diese zusätzliche Luftmenge kann dann als Sekundärluft in den Abgaskanal eingeblasen werden. According to an advantageous continuation of the method, it is provided that the power of the compressor is raised for a limited period of time, in particular for the heating phase and / or the regeneration phase. Thereby, the amount of air of the compressor can be increased over the amount of air that is required by the internal combustion engine for combustion. This additional amount of air can then be injected as secondary air into the exhaust duct.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines aufladbaren, fremdgezündeten Verbrennungsmotors umfasst einen Frischluftkanal und einen Abgaskanal, wobei im Frischluftkanal ein Verdichter zur Verdichtung der Frischluft und wobei stromab des Verdichters eine Sekundärluftleitung vorgesehen ist, welche den Frischluftkanal mit dem Abgaskanal verbindet, und im Abgaskanal ein Drei-Wege-Katalysator und stromab des Drei-Wege-Katalysators ein Partikelfilter angeordnet ist, wobei die Sekundärluftleitung stromauf des Drei-Wege-Katalysators in den Abgaskanal mündet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht, bei einem fetten Verbrennungsluftverhältnis des Verbrennungsmotors zum Anheben der Abgastemperatur durch die Sekundärluft ein stöchiometrisches Mischungsluftverhältnis am Drei-Wege-Katalysator einzustellen, welches eine ideale Umsetzung der Schadstoffe auf dem Drei-Wege-Katalysator ermöglicht. The device according to the invention for the exhaust aftertreatment of a chargeable, spark-ignited internal combustion engine comprises a fresh air duct and an exhaust duct, wherein in the fresh air duct a compressor for compressing the fresh air and wherein downstream of the compressor, a secondary air line is provided which connects the fresh air duct with the exhaust duct, and in the exhaust duct a third Pathway catalyst and downstream of the three-way catalyst, a particulate filter is arranged, wherein the secondary air line opens upstream of the three-way catalyst in the exhaust passage. The device according to the invention makes it possible, with a rich combustion air ratio of the internal combustion engine to raise the exhaust gas temperature by the secondary air, to set a stoichiometric mixture air ratio at the three-way catalyst, which enables ideal conversion of the pollutants on the three-way catalytic converter.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet und eingerichtet. Insbesondere umfasst die Vorrichtung zu diesem Zweck eine Steuerung, in der ein computerlesbarer Steueralgorithmus zur Ausführung des Verfahrens implementiert ist und optional notwenige Kennfelder gespeichert vorliegen. The device according to the invention is suitable and configured for carrying out the method according to the invention. In particular, the apparatus for this purpose comprises a controller in which a computer-readable control algorithm for implementing the method is implemented and optionally required maps are stored.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass in der Frischluftleitung stromab des Verdichters eine Drosselklappe angeordnet ist, wobei die Sekundärluftleitung zwischen dem Verdichter und der Drosselklappe vom Frischluftkanal abzweigt. Somit kann die Luftmenge, welche dem Verbrennungsmotor und/oder der Sekundärluftleitung zugeführt wird, durch die Drosselklappe gesteuert werden. According to an advantageous embodiment, it is provided that in the fresh air line downstream of the compressor, a throttle valve is arranged, wherein the secondary air line branches off between the compressor and the throttle valve from the fresh air duct. Thus, the amount of air supplied to the engine and / or the secondary air passage can be controlled by the throttle valve.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Drei-Wege-Katalysator in einer motornahen Position und der Partikelfilter in einer motorfernen Position, insbesondere in einer Unterbodenposition, angeordnet sind. Dabei ist eine motornahe Position eine Position, bei der sich die Eintrittsöffnung des Drei-Wege-Katalysators weniger als 50 cm, vorzugsweise weniger als 30 cm, von einem Zylinderauslass des Verbrennungsmotors entfernt befindet. Typischerweise beträgt die mittlere Abgaslauflänge von einem Zylinderauslass bis zum Eintritt in den Partikelfilter mindestens 100 cm, insbesondere mindestens 120 cm. Diese Position wird im Rahmen dieser Anmeldung als motorferne Position bezeichnet. Durch eine motornahe Position des Drei-Wege-Katalysators wird dieser in der Startphase schneller aufgeheizt, sodass der Drei-Wege-Katalysator schneller eine Light-Off-Temperatur zur wirksamen Umsetzung von unverbrannten Bestandteilen des Verbrennungsgemischs des Verbrennungsmotors erreicht. Eine motorferne Anordnung des Partikelfilters bietet den Vorteil, dass in Unterbodenlage meist mehr Platz vorhanden ist, und der Partikelfilter somit leichter zu montieren ist. Zudem ist der Partikelfilter in Unterbodenlage vor einer thermischen Überlastung und einer damit verbundenen Zerstörung oder Alterung geschützt. According to a further advantageous embodiment, it is provided that the three-way catalyst in a position close to the engine and the particle filter in a remote position, in particular in an underbody position, are arranged. In this case, a position close to the engine is a position in which the inlet opening of the three-way catalyst is less than 50 cm, preferably less than 30 cm away from a cylinder outlet of the internal combustion engine. Typically, the average exhaust gas run length from a cylinder outlet to the entry into the particle filter is at least 100 cm, in particular at least 120 cm. This position is referred to in the context of this application as a motor remote position. By a close-to-engine position of the three-way catalyst this is heated faster in the starting phase, so that the three-way catalyst reaches a light-off temperature faster for the effective implementation of unburned components of the combustion mixture of the internal combustion engine. A motor remote arrangement of the particulate filter has the advantage that in underfloor location usually more space is available, and the Particle filter is thus easier to assemble. In addition, the particle filter is protected in the bottom layer from thermal overload and associated destruction or aging.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Sekundärluftleitung stromauf einer in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Drei-Wege-Katalysator angeordneten Turbine in den Abgaskanal mündet. Dadurch können unverbrannte Bestandteile des Verbrennungsgemischs im Abgaskrümmer vor der Turbine exotherm umgesetzt werden und die zusätzliche, bei dieser exothermen Umsetzung freigewordene, Energie zum Antrieb der Turbine genutzt werden. Dadurch ist eine Leistungssteigerung des Motors, insbesondere eine Anhebung des Drehmoments in Schwachlastpunkten, möglich, in denen die Turbine sonst nur wenig Antriebsleistung für den Verdichter bereitstellen kann. According to a further advantageous development, it is provided that the secondary air line opens into the exhaust gas duct upstream of a turbine arranged upstream of the three-way catalytic converter in the flow direction of the exhaust gas. As a result, unburned components of the combustion mixture in the exhaust manifold upstream of the turbine can be implemented exothermically and the additional energy released during this exothermic reaction can be used to drive the turbine. As a result, an increase in the power of the engine, in particular an increase in torque in weak load points, possible in which the turbine otherwise can provide little drive power for the compressor.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar. The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen: The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung, 1 A first embodiment of a device according to the invention for exhaust aftertreatment,

2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung, 2 A second embodiment of a device according to the invention for exhaust aftertreatment,

3 ein Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abgasnachbehandlung, 3 a flow chart of a method according to the invention for exhaust aftertreatment,

4 ein Schaubild eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regeneration eines Partikelfilters, und 4 a diagram of a method according to the invention for the regeneration of a particulate filter, and

5 ein weiteres Schaubild eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regeneration eines Partikelfilters. 5 a further diagram of a method according to the invention for the regeneration of a particulate filter.

1 zeigt einen aufladbaren, fremdgezündeten Verbrennungsmotor 10, vorzugsweise einen turbo-aufgeladenen Ottomotor, mit einem Frischluftkanal 12 und einem Abgaskanal 20. Im Abgaskanal 20 ist in Strömungsrichtung des Abgases des Verbrennungsmotors 10 eine Turbine 26 angeordnet, welche über eine Antriebswelle 36 mit einem Verdichter 14 im Frischluftkanal 12 verbunden ist. Die Turbine 26 und der Verdichter 14 sind Teil eines Turboladers 40. Stromab der Turbine 26 ist im Abgaskanal 20 ein vorzugsweise motornaher Drei-Wege-Katalysator 22 angeordnet. An der Turbine 26 ist ein Bypasskanal 38, insbesondere eine sogenanntes Waste-Gate, ausgebildet, mit der ein Teilstrom des Abgases an der Turbine 26 vorbeigeleitet werden kann. Dieser Bypasskanal 38 ist durch ein nicht dargestelltes Ventil oder eine Klappe verschließbar. Stromab des Drei-Wege-Katalysators 22 ist im Abgaskanal 20 ein Partikelfilter 24 angeordnet, welcher vorzugsweise in einer motorfernen Unterbodenlage, das heißt am Unterboden eines Kraftfahrzeuges, angeordnet ist. Der Partikelfilter 24 kann als unbeschichteter Partikelfilter 24 ausgeführt sein, bevorzugt ist der Partikelfilter 24 als beschichteter Wandstromfilter ausgeführt, der eine katalytische Drei-Wege-Beschichtung aufweist. Stromab des Drei-Wege-Katalysators 22, insbesondere zwischen Drei-Wege-Katalysator 22 und Partikelfilter 24 ist eine Lambda-Sonde 28 zur Lambdaregelung, insbesondere Luftmassensteuerung des Verbrennungsmotors 10 vorgesehen. 1 shows a rechargeable, spark-ignited internal combustion engine 10 , preferably a turbo-charged gasoline engine, with a fresh air duct 12 and an exhaust duct 20 , In the exhaust duct 20 is in the flow direction of the exhaust gas of the internal combustion engine 10 a turbine 26 arranged, which via a drive shaft 36 with a compressor 14 in the fresh air duct 12 connected is. The turbine 26 and the compressor 14 are part of a turbocharger 40 , Downstream of the turbine 26 is in the exhaust duct 20 a preferably close-coupled three-way catalyst 22 arranged. At the turbine 26 is a bypass channel 38 , in particular a so-called waste gate, formed with which a partial flow of the exhaust gas to the turbine 26 can be bypassed. This bypass channel 38 is closed by a valve, not shown, or a flap. Downstream of the three-way catalyst 22 is in the exhaust duct 20 a particle filter 24 arranged, which is preferably arranged in a motor remote underbody layer, that is, on the underbody of a motor vehicle. The particle filter 24 Can be used as uncoated particulate filter 24 be executed, preferred is the particulate filter 24 designed as a coated wall-flow filter having a catalytic three-way coating. Downstream of the three-way catalyst 22 , in particular between three-way catalyst 22 and particle filters 24 is a lambda probe 28 for lambda control, in particular air mass control of the internal combustion engine 10 intended.

Am Eintritt des Frischluftkanals 12 ist ein Luftfilter 32 angeordnet. In Strömungsrichtung der Frischluft ist stromab des Verdichters 14 eine Drosselklappe 18 angeordnet, über welche die dem Verbrennungsmotor 10 zugeführte Luftmenge steuerbar ist. Stromab der Drosselklappe 18 ist ein Ladeluftkühler 30 angeordnet, mit welchem die verdichtete Luft vor Eintritt in die Brennräume des Verbrennungsmotors 10 abgekühlt werden kann. Zwischen dem Verdichter 14 und der Drosselklappe 18 zweigt aus dem Frischluftkanal 12 eine Sekundärluftleitung 16 ab, welche zwischen nicht dargestellten Auslassventilen des Verbrennungsmotors 10 und der Turbine 26 in den Abgaskanal 20 mündet, insbesondere in einen nicht dargestellten Abgaskrümmer. An einem dem Abgaskanal 20 zugewandten Ende der Sekundärluftleitung 16 ist ein Sekundärluftventil 34 vorgesehen, mit welchem die Menge der dem Abgaskanal 20 zugeführten Sekundärluft steuerbar ist. At the entrance of the fresh air channel 12 is an air filter 32 arranged. In the flow direction of the fresh air is downstream of the compressor 14 a throttle 18 arranged over which the the internal combustion engine 10 supplied amount of air is controllable. Downstream of the throttle 18 is a charge air cooler 30 arranged, with which the compressed air before entering the combustion chambers of the internal combustion engine 10 can be cooled. Between the compressor 14 and the throttle 18 branches off the fresh air duct 12 a secondary air line 16 from, which between not shown exhaust valves of the internal combustion engine 10 and the turbine 26 in the exhaust duct 20 opens, in particular in an exhaust manifold, not shown. At one of the exhaust duct 20 facing the end of the secondary air line 16 is a secondary air valve 34 provided with which the amount of the exhaust duct 20 supplied secondary air is controllable.

In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung dargestellt. Bei weitestgehend gleichem Aufbau wie in 1 wird im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen. Die Sekundärluftleitung 16 zweigt stromab des Verdichters 14 und stromauf der Drosselklappe 18 aus der Frischluftleitung 12 ab und mündet in dieser Ausgestaltung zwischen der Turbine 26 des Turboladers 40 und dem drei Wege Katalysator 22 in den Abgaskanal 20. Der Turbolader 40 beziehungsweise die Turbine 26 des Turboladers 40 kann wie in 1 einen Bypasskanal 38 aufweisen, welcher aus Gründen der Übersichtlichkeit in diesem Ausführungsbeispiel jedoch nicht dargestellt wurde. In 2 is a further embodiment of a device according to the invention for exhaust aftertreatment shown. For the most part the same structure as in 1 will be discussed below only the differences. The secondary air line 16 branches downstream of the compressor 14 and upstream of the throttle 18 from the fresh air line 12 and flows in this embodiment between the turbine 26 of the turbocharger 40 and the three way catalyst 22 in the exhaust duct 20 , The turbocharger 40 or the turbine 26 of the turbocharger 40 can be like in 1 a bypass channel 38 however, which has not been shown for reasons of clarity in this embodiment.

In Fahrzyklen mit geringer Last, umgangssprachlich auch als „Brötchenholzyklus“ bezeichnet, kann durch ein Schließen des Bypasskanals 38 die Abgasenthalpie genutzt werden, um mit dem Verdichter 14 einen zusätzlichen, für die motorische Verbrennung des Verbrennungsmotors 10 nicht benötigten Frischluftmassenstrom zu verdichten. Dieser zusätzliche Frischluftmassenstrom kann über die Sekundärluftleitung 16 in den Abgaskanal 20 eingeleitet werden. In driving cycles with low load, colloquially also referred to as "Brötchenholzyklus", by closing the bypass channel 38 the exhaust gas enthalpy be used to connect with the compressor 14 an additional, for the motor Combustion of the internal combustion engine 10 not to compress required fresh air mass flow. This additional fresh air mass flow can via the secondary air line 16 in the exhaust duct 20 be initiated.

Wird eine festgelegte Schwelle der Rußbeladung des Partikelfilters 24 detektiert, was beispielsweise durch eine Differenzdruckmessung im Abgaskanal 20 vor und nach dem Partikelfilter 24 oder durch eine Modellierung erfolgen kann, wird ein Regenerationsverfahren zur Regeneration des Partikelfilters 24 eingeleitet. Zur Regeneration des Partikelfilters sind eine Regenerationstemperatur von ca. 600°C und ein Sauerstoffüberschuss zur Oxidation des Rußes notwendig. Um die Regenerationstemperatur im Abgas zu erreichen, werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die in 3 dargestellten, folgenden Schritte durchgeführt. Becomes a fixed threshold of soot loading of the particulate filter 24 detected, for example, by a differential pressure measurement in the exhaust duct 20 before and after the particle filter 24 or by modeling, a regeneration process is used to regenerate the particulate filter 24 initiated. For regeneration of the particulate filter, a regeneration temperature of about 600 ° C and an excess of oxygen for the oxidation of the soot are necessary. In order to achieve the regeneration temperature in the exhaust gas, in the inventive method in 3 shown following steps.

In einem Ausgangszustand <100> wird der Verbrennungsmotor 10 mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λE = 1 betrieben. In einem folgenden Verfahrensschritt <110> wird überprüft, ob eine Notwendigkeit zur Regeneration des Partikelfilters 24 vorliegt. Beispielsweise wird überprüft, ob eine durch eine Differenzdruckmessung über den Partikelfilter 24 ermittelte Druckdifferenz oder eine durch Modulierung bestimmte Beladung des Partikelfilters 24 eine vorbestimmte Schwelle überschreitet. Wird die Abfrage <110> bejaht, liegt ein Regenerationserfordernis vor und das Regenerationsverfahren wird eingeleitet. In an initial state < 100 > becomes the internal combustion engine 10 operated with a stoichiometric combustion air ratio λ E = 1. In a following process step < 110 > will check if there is a need to regenerate the particulate filter 24 is present. For example, it is checked whether one by a differential pressure measurement over the particulate filter 24 determined pressure difference or determined by modulation loading of the particulate filter 24 exceeds a predetermined threshold. Will the query < 110 > yes, there is a need for regeneration and the regeneration process is initiated.

Dazu wird in einem folgenden Schritt <120> zunächst eine Temperatur am Drei-Wege-Katalysator 22 ermittelt und abgefragt, ob diese Temperatur oberhalb einer Light-Off-Temperatur des Drei-Wege-Katalysators 22 von ca. 350 °C liegt, bei der eine Umsetzung von unverbrannten Bestandteilen des Verbrennungsgemischs des Verbrennungsmotors, insbesondere von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC), auf dem Drei-Wege-Katalysator 22 erfolgt. Wird die Abfrage <120> verneint, das heißt, die Light-off-Temperatur liegt nicht vor, wird in einem folgenden Verfahrensschritt <130> der Zündwinkel des Verbrennungsmotors 10 in Richtung spät verstellt, um die Verbrennungstemperatur und somit die Temperatur am Eintritt des Drei-Wege-Katalysators 22 zu erhöhen und somit eine exotherme Umsetzung der unverbrannten Bestandteile des Verbrennungsgemischs (HC, CO, H2) zu ermöglichen. This is done in a subsequent step < 120 > first a temperature at the three-way catalyst 22 determined and queried whether this temperature is above a light-off temperature of the three-way catalyst 22 of about 350 ° C, in which a reaction of unburned components of the combustion mixture of the internal combustion engine, in particular unburned hydrocarbons (HC), on the three-way catalyst 22 he follows. Will the query < 120 > negative, that is, the light-off temperature is not present, is in a subsequent step < 130 > the ignition angle of the internal combustion engine 10 retarded towards the combustion temperature and thus the temperature at the entrance of the three-way catalyst 22 to increase and thus allow an exothermic reaction of the unburned components of the combustion mixture (HC, CO, H2).

Ist die Light-Off-Temperatur erreicht, wird in einem weiteren Verfahrensschritt <140> überprüft, ob die Regenerationstemperatur des Partikelfilters 24 vorliegt. Dies wird üblicherweise zunächst nicht der Fall sein und die Abfrage <140> verneint werden. In diesem Fall schließt eine Heizphase an, um den Partikelfilter 24 auf seine Regenerationstemperatur aufzuheizen. Hierzu wird in einem weiteren Verfahrensschritt <150> das Verbrennungsluftverhältnis des Motors 10 von einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis mit λE = 1 auf ein unterstöchiometrisches, fettes Verbrennungsluftverhältnis λE < 1, vorzugsweise von λE = 0,9 verstellt. Dadurch werden unverbrannte Bestandteile (HC, CO, H2) des Verbrennungsgemischs in den Abgaskanal 20 eingeleitet. Das Verbrennungsluftverhältnis λE des Verbrennungsmotors 10 kann über eine stromauf des Sekundärluftventils 34 angeordnete Lambda-Sonde (in den 1 und 2 nicht dargestellt) erfasst und geregelt werden. Gleichzeitig wird im Verfahrensschritt <150> die über den Verdichter 14 verdichtete Sekundärluft und über die Sekundärluftleitung 16 dem Abgaskanal 20 stromab eines Auslasses des Verbrennungsmotors 10 zugeführt. Diese Einleitung kann sowohl zwischen dem Auslass des Verbrennungsmotors 10 und der Turbine 26 des Turboladers 40 (1) oder stromab der Turbine 26 des Turboladers und stromauf des Drei-Wege-Katalysators 22 (2) erfolgen. Durch den über die Sekundärluftleitung 16 und das Sekundärluftventil 34 in den Abgaskanal 20 eingebrachten Sauerstoff können die unverbrannten Bestandteile des Verbrennungsgemischs exotherm auf dem stromab der Einmündung der Sekundärluftleitung 16 beziehungsweise des Sekundärluftventils 34 liegenden Drei-Wege-Katalysator 22 umgesetzt werden. Bei einer Einblasung der Sekundärluft zwischen dem Auslass des Verbrennungsmotors 10 und der Turbine 26 kann diese exotherme Reaktion bereits auf einem Abgaskrümmer des Verbrennungsmotors 10 stattfinden und die somit freigewordene Energie zum Antrieb der Turbine 26 genutzt werden. Das Mischungsluftverhältnis λM aus Verbrennungsluftverhältnis und in den Abgaskanal 20 eingeblasener Sekundärluft wird über die Lambda-Sonde 28 erfasst und auf Lambda = 1 geregelt, sodass sich die gewünschte Zieltemperatur zur Regeneration des Partikelfilters 24 einstellt. If the light-off temperature is reached, in a further method step < 140 > Checks if the regeneration temperature of the particulate filter 24 is present. This will usually not be the case initially and the query < 140 > be denied. In this case, a heating phase connects to the particulate filter 24 to heat up to its regeneration temperature. For this purpose, in a further method step < 150 > the combustion air ratio of the engine 10 from a stoichiometric combustion air ratio with λ E = 1 to a substoichiometric, rich combustion air ratio λ E <1, preferably adjusted by λ E = 0.9. As a result, unburned components (HC, CO, H 2 ) of the combustion mixture in the exhaust duct 20 initiated. The combustion air ratio λ E of the internal combustion engine 10 can be via an upstream of the secondary air valve 34 arranged lambda probe (in the 1 and 2 not shown) are recorded and regulated. At the same time, in process step < 150 > over the compressor 14 compressed secondary air and via the secondary air line 16 the exhaust duct 20 downstream of an outlet of the internal combustion engine 10 fed. This introduction can be both between the outlet of the internal combustion engine 10 and the turbine 26 of the turbocharger 40 ( 1 ) or downstream of the turbine 26 the turbocharger and upstream of the three-way catalyst 22 ( 2 ) respectively. Through the over the secondary air line 16 and the secondary air valve 34 in the exhaust duct 20 introduced oxygen, the unburned components of the combustion mixture exothermic on the downstream of the junction of the secondary air line 16 or the secondary air valve 34 lying three-way catalyst 22 be implemented. With an injection of the secondary air between the outlet of the internal combustion engine 10 and the turbine 26 This exothermic reaction can already be on an exhaust manifold of the internal combustion engine 10 take place and thus released energy to drive the turbine 26 be used. The mixture air ratio λ M from the combustion air ratio and into the exhaust duct 20 injected secondary air is via the lambda probe 28 and adjusted to lambda = 1, so that the desired target temperature for the regeneration of the particulate filter 24 established.

Nach Erreichen der Regenerationstemperatur des Partikelfilters 24 schließt die Regenrationsphase an, und es wird in einem weiteren Verfahrensschritt <160> die Sekundärluftzufuhr erhöht, sodass sich ein überstöchiometrisches Mischungsluftverhältnis λM > 1 vor dem Partikelfilter 24 einstellt. Dadurch kann der Ruß auf dem Partikelfilter 24 oxidiert und der Partikelfilter 24 somit regeneriert werden. After reaching the regeneration temperature of the particulate filter 24 closes the regeneration phase, and it is in a further process step < 160 > Increases the secondary air supply so that there is an over-stoichiometric mixture air ratio λ M > 1 in front of the particulate filter 24 established. This allows the soot on the particulate filter 24 oxidized and the particulate filter 24 thus be regenerated.

In einem weiteren Verfahrensschritt <170> wird nach Abschluss der Regeneration des Partikelfilters 24 die Zufuhr von Sekundärluft gestoppt und der Verbrennungsmotor 10 wieder mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λE = 1 betrieben. In a further process step < 170 > becomes after completion of the regeneration of the particulate filter 24 the supply of secondary air stopped and the internal combustion engine 10 operated again with a stoichiometric combustion air ratio λ E = 1.

Die Verläufe der Partikelfiltertemperatur, des motorischen Verbrennungsluftverhältnisses λE des Verbrennungsmotors 10 sowie des Mischungsluftverhältnisses λM während des gemäß 3 ausgeführten Verfahrens zeigt 4. Wie in 4 dargestellt, wird während einer Heizphase des Partikelfilters 24 das Verbrennungsluftverhältnis λE des Verbrennungsmotors 10 auf λE < 1 vorgesteuert und das Mischungsverhältnis auf λM = 1 eingeregelt. Die Heizphase wird für ein Zeitintervall von 50 bis 300s, vorzugsweise von 100s, aufrechterhalten. Dadurch wird in der Heizphase die Drei-Wege-Funktion des Drei-Wege-Katalysators 22 gewährleistet und alle Schadstoffe können effektiv umgesetzt werden. The curves of the particle filter temperature, the combustion air combustion ratio λ E of the internal combustion engine 10 and the mixture air ratio λ M during the according to 3 executed method shows 4 , As in 4 is shown during a heating phase of the particulate filter 24 the combustion air ratio λ E of the internal combustion engine 10 piloted to λ E <1 and the mixing ratio adjusted to λ M = 1. The heating phase is maintained for a time interval of 50 to 300 seconds, preferably 100 seconds. As a result, in the heating phase, the three-way function of the three-way catalyst 22 guaranteed and all pollutants can be effectively implemented.

Ist die Regenerationstemperatur zur Regeneration des Partikelfilters 24 erreicht, wird über die Motorsteuerung auf die Regenerationsphase umgestellt. Dazu wird der Verbrennungsmotor 10 weiterhin mit einem unterstöchiometrischen, fetten Verbrennungsluftverhältnis λE < 1 betrieben. Um den Sauerstoff für die Regeneration des Partikelfilters 24 bereitzustellen, wird die Sekundärluftmenge, die über die Sekundärluftleitung 16 und das Sekundärluftventil 34 in den Abgaskanal 20 eingeblasen wird, jedoch derart erhöht, dass am Eingang des Partikelfilters 24 ein überstöchiometrisches Mischungsluftverhältnis λM > 1, vorzugsweiseweise λM zwischen 1,05 und 1,2, besonders bevorzugt λM = 1,1 einstellt. Dadurch wird gewährleistet, dass die Umsetzungsrate des Rußes nicht zu hoch werden kann und es nicht zu einer thermischen Zerstörung des Partikelfilters 24 kommt. Dieser Vorgang wird so lange aufrechterhalten, bis der Partikelfilter 24 als regeneriert betrachtet werden kann. Als typische Regenerationsdauer für den Partikelfilter 24 wird ein Zeitintervall von 200s–1000s, vorzugsweise zwischen 300s–800s, besonders bevorzugt zwischen 500–600 s gewählt. Is the regeneration temperature for regeneration of the particulate filter 24 reached, is switched over the engine control to the regeneration phase. This is the internal combustion engine 10 continue to operate with a substoichiometric, rich combustion air ratio λ E <1. To get the oxygen for the regeneration of the particulate filter 24 to provide, the secondary air flow through the secondary air line 16 and the secondary air valve 34 in the exhaust duct 20 is injected, but increased so that at the entrance of the particulate filter 24 a superstoichiometric mixture air ratio λ M > 1, preferably λ M between 1.05 and 1.2, more preferably λ M = 1.1 sets. This ensures that the conversion rate of the soot can not be too high and it does not lead to thermal destruction of the particulate filter 24 comes. This process is maintained until the particle filter 24 can be considered regenerated. As a typical regeneration period for the particulate filter 24 a time interval of 200s-1000s, preferably between 300s-800s, more preferably between 500-600 s is chosen.

Alternativ können auch wie in 5 dargestellt die Heizphase und die Regenerationsphase des Partikelfilters 24 parallel durchgeführt werden. Dabei wird der Verbrennungsmotor 10 mit einem unterstöchiometrischen, fetten Verbrennungsluftverhältnis λE < 1 betrieben und gleichzeitig Sekundärluft in den Abgaskanal 20 eingeblasen, sodass sich während der Heizphase und während der parallel verlaufenden Regenerationsphase ein überstöchiometrisches Mischungsluftverhältnis λM > 1 einstellt. Somit werden gleichzeitig die unverbrannten Bestandteile des Verbrennungsgemischs exotherm umgesetzt und es steht genügend Sauerstoff zur Verfügung, um den eingelagerten Ruß im Partikelfilter 24 umzusetzen. Alternatively, as in 5 illustrate the heating phase and the regeneration phase of the particulate filter 24 be carried out in parallel. At the same time the internal combustion engine becomes 10 operated with a substoichiometric, rich combustion air ratio λ E <1 and at the same time secondary air into the exhaust duct 20 injected, so that during the heating phase and during the parallel regeneration phase, a superstoichiometric mixture air ratio λ M > 1 sets. Thus, at the same time the unburned components of the combustion mixture are exothermically reacted and there is enough oxygen available to the soot embedded in the particulate filter 24 implement.

Die beiden beschriebenen Verfahren können jeweils mit beiden vorgeschlagenen Vorrichtungen, also unabhängig davon, ob die Sekundärluftleitung zwischen Auslass des Verbrennungsmotors 10 und Turbine 26 des Turboladers 40 oder zwischen der Turbine 26 des Turboladers 40 und dem Drei-Wege-Katalysator 22 in den Abgaskanal 20 mündet, durchgeführt werden. Die beschriebenen Verfahren führen zu einem NOx-Schlupf während der Regenerationsphase. In dem in 4 dargestellten und bevorzugten Verfahren verkürzt sich jedoch diese Phase mit vorliegendem NOx-Schlupf, da die Heizphase des Partikelfilters 24 mit einem stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis λE = 1 und unter voller Wirksamkeit des Drei-Wege-Katalysators 22 durchgeführt wird. The two methods described can each with two proposed devices, that is, regardless of whether the secondary air line between the outlet of the engine 10 and turbine 26 of the turbocharger 40 or between the turbine 26 of the turbocharger 40 and the three-way catalyst 22 in the exhaust duct 20 flows out. The described methods lead to NOx slippage during the regeneration phase. In the in 4 However, as shown and preferred method shortens this phase with the present NOx-slip, since the heating phase of the particulate filter 24 with a stoichiometric combustion air ratio λ E = 1 and with full effectiveness of the three-way catalyst 22 is carried out.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

10 10
Verbrennungsmotor internal combustion engine
12 12
Frischluftkanal Fresh air duct
14 14
Verdichter compressor
16 16
Sekundärluftleitung Secondary air line
18 18
Drosselklappe throttle
20 20
Abgaskanal exhaust duct
22 22
Drei-Wege-Katalysator Three-way catalytic converter
24 24
Partikelfilter particulate Filter
26 26
Turbine turbine
28 28
Lambda-Sonde Lambda probe
30 30
Ladeluftkühler Intercooler
32 32
Luftfilter air filter
34 34
Sekundärluftventil Secondary air valve
36 36
Antriebswelle drive shaft
38 38
Bypasskanal bypass channel
40 40
Turbolader turbocharger
λE λ E
Verbrennungsluftverhältnis  Combustion air ratio
λM λ M
Mischungsluftverhältnis Mix air ratio

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102013220899 A1 [0003] DE 102013220899 A1 [0003]
  • DE 102011118337 A1 [0004] DE 102011118337 A1 [0004]

Claims (15)

Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines aufladbaren, fremdgezündeten Verbrennungsmotors (10), umfassend einen Frischluftkanal (12) und einen Abgaskanal (20), wobei im Frischluftkanal (12) ein Verdichter (14) zur Verdichtung der Frischluft und stromab des Verdichters (14) eine Sekundärluftleitung (16) vorgesehen ist, welche den Frischluftkanal (12) mit dem Abgaskanal (20) verbindet, wobei im Abgaskanal (20) ein Drei-Wege-Katalysator (22) und stromab des Drei-Wege-Katalysators (22) ein Partikelfilter (24) angeordnet ist, umfassend folgende Prozesse: – Ermittlung eines Beladungszustandes des Partikelfilters (24), – Wenn der Beladungszustand eine Regeneration des Partikelfilters (24) erfordert, Anhebung der Abgastemperatur auf eine Regenerationstemperatur des Partikelfilters (24) durch zumindest zeitweiliges Verstellen einer Gemischbildung für den Verbrennungsmotor (10) auf ein unterstöchiometrisches (fettes) Verbrennungsluftverhältnis (λE < 1) und zumindest zeitweise gleichzeitiges Einbringen von Sekundärluft in den Abgaskanal (20) stromauf des Drei-Wege-Katalysators (22), wobei – die unverbrannten Bestandteile eines Verbrennungsgemischs des Verbrennungsmotors (10) im Abgaskanal (20) durch die Sekundärluft exotherm umgesetzt werden, und – in einer Regenerationsphase des Partikelfilters (24) die Sekundärluftmenge derart erhöht wird, dass sich im Abgaskanal (20) vor Eintritt in den Partikelfilter (24) ein überstöchiometrisches Mischungsluftverhältnis (λM > 1) einstellt, sodass Ruß auf dem Partikelfilter (24) durch den Sauerstoffüberschuss oxidiert wird. Process for the exhaust aftertreatment of a chargeable, spark-ignited internal combustion engine ( 10 ) comprising a fresh air channel ( 12 ) and an exhaust duct ( 20 ), whereby in the fresh air channel ( 12 ) a compressor ( 14 ) for the compression of the fresh air and downstream of the compressor ( 14 ) a secondary air line ( 16 ) is provided, which the fresh air channel ( 12 ) with the exhaust duct ( 20 ), wherein in the exhaust duct ( 20 ) a three-way catalyst ( 22 ) and downstream of the three-way catalyst ( 22 ) a particle filter ( 24 ), comprising the following processes: - determination of a loading state of the particulate filter ( 24 ), - If the loading condition is a regeneration of the particulate filter ( 24 ), raising the exhaust gas temperature to a regeneration temperature of the particulate filter ( 24 ) by at least temporarily adjusting a mixture formation for the internal combustion engine ( 10 ) to a substoichiometric (rich) combustion air ratio (λ E <1) and at least temporarily simultaneous introduction of secondary air into the exhaust gas channel ( 20 ) upstream of the three-way catalyst ( 22 ), wherein - the unburned constituents of a combustion mixture of the internal combustion engine ( 10 ) in the exhaust duct ( 20 ) are exothermally reacted by the secondary air, and - in a regeneration phase of the particulate filter ( 24 ) the secondary air quantity is increased in such a way that in the exhaust gas duct ( 20 ) before entering the particle filter ( 24 ) sets a superstoichiometric mixture air ratio (λ M > 1), so that soot on the particulate filter ( 24 ) is oxidized by the oxygen excess. Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Heizphase des Partikelfilters (24) der Verbrennungsmotor (10) mit einem unterstöchiometrischen (fetten) Verbrennungsluftverhältnis (λE < 1) betrieben wird und die Sekundärluftmenge so eingestellt wird, dass sich bei Eintritt in den Drei-Wege-Katalysator (22) ein stöchiometrisches Mischungsluftverhältnis (λM = 1) einstellt. A method for exhaust aftertreatment according to claim 1, characterized in that in a heating phase of the particulate filter ( 24 ) the internal combustion engine ( 10 ) is operated with a substoichiometric (rich) combustion air ratio (λ E <1) and the secondary air quantity is set so that when entering the three-way catalyst ( 22 ) sets a stoichiometric mixture air ratio (λ M = 1). Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (10) mit einem Verbrennungsluftverhältnis (λE) im Bereich von 0,85 bis 0,95 betrieben wird. A method for exhaust aftertreatment according to claim 1 or 2, characterized in that the internal combustion engine ( 10 ) is operated with a combustion air ratio (λ E ) in the range of 0.85 to 0.95. Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischungsluftverhältnis (λM) in der Regenerationsphase des Partikelfilters (24) im Bereich von 1,05 bis 1,2 eingestellt wird. A method for exhaust aftertreatment according to one of claims 1 to 3, characterized in that the mixture air ratio (λ M ) in the regeneration phase of the particulate filter ( 24 ) is set in the range of 1.05 to 1.2. Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (14) von einer im Abgaskanal (10) angeordneten Turbine (26) angetrieben wird und die Sekundärluftleitung (16) stromauf der Turbine (26) in den Abgaskanal (20) mündet. A method for exhaust aftertreatment according to one of claims 1 to 4, characterized in that the compressor ( 14 ) from one in the exhaust duct ( 10 ) arranged turbine ( 26 ) and the secondary air line ( 16 ) upstream of the turbine ( 26 ) in the exhaust duct ( 20 ) opens. Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Turbine (26) ein die Turbine umgehender Bypass (38) ausgebildet ist, welcher zur Erhöhung der Antriebsleistung des Verdichters (14) verschlossen wird. Aftertreatment process according to claim 5, characterized in that on the turbine ( 26 ) bypass the turbine ( 38 ), which for increasing the drive power of the compressor ( 14 ) is closed. Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (38) in der Heizphase und/oder in der Regenerationsphase des Partikelfilters (24) verschlossen wird. Aftertreatment process according to claim 6, characterized in that the bypass ( 38 ) in the heating phase and / or in the regeneration phase of the particulate filter ( 24 ) is closed. Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das überstöchiometrische Mischungsluftverhältnis λM zur Regenerationsphase des Partikelfilters (24) für ein Zeitintervall im Bereich von 200 bis 1000 s gewählt wird. A method for exhaust aftertreatment according to one of claims 1 to 7, characterized in that the superstoichiometric mixture air ratio λ M to the regeneration phase of the particulate filter ( 24 ) is selected for a time interval in the range of 200 to 1000 s. Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Regenerationsphase eine Heizphase vorgeschaltet wird und für ein Zeitintervall im Bereich von 50 bis 300s aufrechterhalten wird. A method for exhaust aftertreatment according to one of claims 1 to 8, characterized in that the regeneration phase is preceded by a heating phase and is maintained for a time interval in the range of 50 to 300s. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur des Abgases vor Eintritt in den Drei-Wege-Katalysator (22) ermittelt wird, diese Temperatur mit einer Light-Off-Temperatur des Drei-Wege-Katalysators (22) verglichen wird und bei einem Nichterreichen dieser Light-Off-Temperatur zunächst der Zündwinkel des Verbrennungsmotors (10) in Richtung spät verstellt wird, bevor das Verbrennungsluftverhältnis λE angepasst wird. Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that a temperature of the exhaust gas before entering the three-way catalyst ( 22 ), this temperature with a light-off temperature of the three-way catalyst ( 22 ) and, if this light-off temperature is not reached, first the ignition angle of the internal combustion engine ( 10 ) is retarded in the direction before the combustion air ratio λ E is adjusted. Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des Verdichters (14) für einen begrenzten Zeitabschnitt, insbesondere für die Heizphase und/oder die Regenerationsphase, angehoben wird. Aftertreatment process according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the power of the compressor ( 14 ) is raised for a limited period of time, in particular for the heating phase and / or the regeneration phase. Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung eines aufladbaren, fremdgezündeten Verbrennungsmotors (10), mit einem Frischluftkanal (12) und mit einem Abgaskanal (20), wobei im Frischluftkanal (12) ein Verdichter (14) zur Verdichtung der Frischluft und stromab des Verdichters (14) eine Sekundärluftleitung (16) vorgesehen ist, welche den Frischluftkanal (12) mit dem Abgaskanal (20) verbindet, wobei im Abgaskanal (20) ein Drei-Wege-Katalysator (22) und stromab des Drei-Wege-Katalysators (22) ein Partikelfilter (24) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluftleitung (16) stromauf des Drei-Wege-Katalysators (22) in den Abgaskanal (20) mündet. Device for the exhaust aftertreatment of a rechargeable, spark-ignited internal combustion engine ( 10 ), with a fresh air channel ( 12 ) and with an exhaust duct ( 20 ), whereby in the fresh air channel ( 12 ) a compressor ( 14 ) for the compression of the fresh air and downstream of the compressor ( 14 ) a secondary air line ( 16 ) is provided, which the fresh air channel ( 12 ) with the exhaust duct ( 20 ), wherein in the exhaust duct ( 20 ) a three-way catalyst ( 22 ) and downstream of the three-way catalyst ( 22 ) a particle filter ( 24 ), characterized in that the secondary air duct ( 16 ) upstream of the three-way catalyst ( 22 ) in the exhaust duct ( 20 ) opens. Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Frischluftleitung stromab des Verdichters (14) eine Drosselklappe (18) angeordnet ist, wobei die Sekundärluftleitung (16) zwischen dem Verdichter (14) und der Drosselklappe (18) vom Frischluftkanal (12) abzweigt. Device for exhaust aftertreatment according to claim 12, characterized in that in the fresh air line downstream of the compressor ( 14 ) a throttle valve ( 18 ), wherein the secondary air line ( 16 ) between the compressor ( 14 ) and the throttle valve ( 18 ) from the fresh air channel ( 12 ) branches off. Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Drei-Wege-Katalysator (22) in einer motornahen Position und der Partikelfilter (24) in einer Unterbodenposition angeordnet ist. Aftertreatment device according to one of Claims 12 or 13, characterized in that the three-way catalyst ( 22 ) in a position close to the engine and the particle filter ( 24 ) is arranged in an underfloor position. Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluftleitung (16) stromauf einer in Strömungsrichtung des Abgases vor dem Drei-Wege-Katalysator (22) angeordneten Turbine (26) in den Abgaskanal (20) mündet. Device for exhaust gas aftertreatment according to one of claims 12 to 14, characterized in that the secondary air line ( 16 ) upstream of one in the flow direction of the exhaust gas before the three-way catalyst ( 22 ) arranged turbine ( 26 ) in the exhaust duct ( 20 ) opens.
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