AT3392U1

AT3392U1 - METHOD FOR THE SULFUR REGENERATION OF A NOX STORAGE CATALYST

Info

Publication number: AT3392U1
Application number: AT83798U
Authority: AT
Inventors: Hartmut Dr Carstensen; Walter Dr Piock
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 1998-12-17
Filing date: 1998-12-17
Publication date: 2000-02-25
Also published as: DE19960828A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schwefelregeneration eines NO`x -Speicherkatalysators einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, der NO`x in einer oxidierenden Abgaszusammensetzung adsorbiert und in einer reduzierenden Abgaszusammensetzung desorbiert, und welcher während einer Phase der Schwefelregeneration SO`x in einer reduzierenden Abgaszusammensetzung mit temporärer Temperaturerhöhung desorbiert, wobei während der Phase der Schwefelregeneration das Luft-Kraftstoffverhältnis Lambda auf einen Wert <1 eingestellt wird. Um auf möglichst einfache Weise eine Schwefeldesorption zu erreichen, ist vorgesehen, daß während der Schwefelregeneration der Brennkraftmaschine, welche bei Normalbetrieb geschichtet mager und in Phasen der NO`x -Desorption homogen-fett betrieben wird, eine Ladungsschichtung im Brennraum erzeugt wird.The invention relates to a method for sulfur regeneration of a NO`x storage catalyst of a direct-injection internal combustion engine, which adsorbs NO`x in an oxidizing exhaust gas composition and desorbs it in a reducing exhaust gas composition, and which during a phase of sulfur regeneration SO`x in a reducing exhaust gas composition with a temporary temperature increase desorbed, the air / fuel ratio lambda being set to a value <1 during the sulfur regeneration phase. In order to achieve sulfur desorption in the simplest possible way, it is provided that a charge stratification is generated in the combustion chamber during the sulfur regeneration of the internal combustion engine, which is operated leanly during normal operation and operated homogeneously rich in phases of NO`x desorption.

Description

AT 003 392 UlAT 003 392 Ul

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schwefelregeneration eines NOx-Speicherkatalysa-tors einer direkteinspritzenden Brennkraftmaschine, der NOx in einer oxidierenden Abgaszusammensetzung adsorbiert und in einer reduzierenden Abgaszusammensetzung desorbiert, und welcher während einer Phase der Schwefelregeneration SOx in einer reduzierenden Abgaszusammensetzung mit temporärer Temperaturerhöhung desorbiert, wobei während der Phase der Schwefelregeneration das Luft-Kraftstoffverhältnis λ auf einen Wert <1 eingestellt wird.The invention relates to a method for sulfur regeneration of a NOx storage catalyst of a direct-injection internal combustion engine, which adsorbs NOx in an oxidizing exhaust gas composition and desorbs in a reducing exhaust gas composition, and which desorbs SOx in a reducing exhaust gas composition with a temporary temperature increase during a phase of sulfur regeneration, while the phase of sulfur regeneration, the air-fuel ratio λ is set to a value <1.

Bei überstöchiometrisch betriebenen Brennkraftmaschinen kann die NOx-Reduktion der bekannten Drei-Wege-Katalysatortechnik nicht eingesetzt werden. Die gilt sowohl für mager betriebene Otto-Brennkraftmaschinen, als auch für konventionelle Diesel-Brennkraftmaschi-nen, welche verfahrensbedingt im gesamten Last-Drehzahl-Kennfeld mit Luftüberschuß betrieben werden. Es ist bekannt, bei diesen Brennkraftmaschinen zur Verminderung der Stickoxidemissionen Speicherkatalysatoren für NOx zu verwenden, welche zyklisch NOx in einer oxidierenden Abgaszusammensetzung adsorbieren und bei folgender reduzierenden Abgaszusammensetzung wieder desorbieren. Speicherkatalysatoren für NOx beinhalten Speichermaterialien (beispielsweise Oxide von Alkali-, Erdalkalimetallen oder seltenen Erden), die während des mageren Motorbetriebes Stickoxide adsorbieren und in Nitraten speichern können. Unter Sauerstoffmangel zersetzen sich die Nitrate ab einer Temperatur von ca. 200° unter der Bildung von NOx, das an der katalytischen Oberfläche des Speicherkatalysators zu N2 reduziert wird. Die Regenerationsdauer ist dabei im Vergleich zur Speicherdauer sehr kurz (<1:10). Bei einer Otto-Brennkraftmaschine wird der nötige Sauerstoffmangel im Abgas durch fetten Motorbetrieb (0,7<>.<l)erzeugt. Da eine derartige Abmagerung bei Diesel-Brennkraftmaschinen den Nachteil eines starken Anstieges der Partikelemissionen und eine Verschlechterung des Laufverhaltens bringt, werden NOx-Speicherkatalysatoren bei Diesel-Brennkraftmaschinen meist nur in Verbindung mit zusätzlichen Vorrichtungen zur Regeneration, wie etwa Kraftstoffeindüsung in das Abgas, eingesetzt. Es sind allerdings auch Verfahren zur NOx-Regeneration bei Dieselbrennkraftmaschinen bekannt, die ganz bewußt auf eine Kraftstoffeindüsung zugunsten einer Anreicherung verzichten, etwa aus der DE 195 43 219 CI oder der österreichischen Gebrauchsmusteranmeldung GM 30/98.The NOx reduction of the known three-way catalytic converter technology cannot be used in internal combustion engines operated at stoichiometry. This applies both to lean-burn gasoline internal combustion engines and to conventional diesel internal combustion engines, which are operated with excess air in the entire load-speed map due to the process. It is known to use storage catalytic converters for NOx in these internal combustion engines to reduce the nitrogen oxide emissions, which cyclically adsorb NOx in an oxidizing exhaust gas composition and desorb it again with the following reducing exhaust gas composition. Storage catalysts for NOx contain storage materials (e.g. oxides of alkali, alkaline earth metals or rare earths) that can adsorb nitrogen oxides during lean engine operation and store them in nitrates. In the absence of oxygen, the nitrates decompose from a temperature of approx. 200 ° with the formation of NOx, which is reduced to N2 on the catalytic surface of the storage catalytic converter. The regeneration period is very short compared to the storage period (<1:10). In a gasoline internal combustion engine, the necessary lack of oxygen in the exhaust gas is generated by rich engine operation (0.7 <. <. L). Since such leaning in diesel engines has the disadvantage of a sharp increase in particle emissions and a deterioration in running behavior, NOx storage catalytic converters in diesel engines are mostly used only in conjunction with additional devices for regeneration, such as fuel injection into the exhaust gas. However, there are also known methods for NOx regeneration in diesel internal combustion engines which deliberately dispense with fuel injection in favor of enrichment, for example from DE 195 43 219 CI or the Austrian utility model application GM 30/98.

Bei Verwendung von schwefelhaltigen Kraftstoffen tritt das Problem auf, daß S03, welches eine höhere Affinität als NOx zum Speichermaterial aufweist, sich im Speicherkatalysator anreichert und dadurch mit steigender Betriebszeit die Adsorptionsfähigkeit des Speicherkatalysators für NOx vermindert wird. Es ist bekannt, daß durch kurzzeitige Erhöhung der Abgastemperatur auf über 600°C in einer reduzierenden Abgaszusammensetzung eine Desorption des S03 stattfindet.When using sulfur-containing fuels, the problem arises that S03, which has a higher affinity than NOx for the storage material, accumulates in the storage catalytic converter and, as the operating time increases, the adsorption capacity of the storage catalytic converter for NOx is reduced. It is known that a brief increase in the exhaust gas temperature to over 600 ° C in a reducing exhaust gas composition causes desorption of the S03.

Aus der JP 07217474 A2 ist es bekannt, eine Schwefelregeneration des Speicherkatalysators durch Anfettung der Emissionen und Erhöhung der Abgastemperatur durchzuführen. Die WO 2 AT 003 392 Ul 98/44245 behandelt ein Verfahren zur Schwefelregeneration eines NOx-Speicherkatalysators, bei dem die Desorption der Schwefelkomponenten durch Einspritzung und Zündung von zusätzlichem Kraftstoff während des Expansionshubes erfolgt, wodurch die Abgastemperatur kurzzeitig im für die Schwefelregeneration des NOx-Speicherkatalysators erforderlichen Ausmaß erhöht wird. Der Nachteil dieser Doppeleinspritzung ist, daß relativ hohe Anforderungen an Steuerung und Einspritzeinrichtung gestellt werden.From JP 07217474 A2 it is known to carry out a sulfur regeneration of the storage catalytic converter by enriching the emissions and increasing the exhaust gas temperature. WO 2 AT 003 392 Ul 98/44245 deals with a method for sulfur regeneration of a NOx storage catalytic converter, in which the desorption of the sulfur components takes place by injection and ignition of additional fuel during the expansion stroke, as a result of which the exhaust gas temperature is briefly im for the sulfur regeneration of the NOx storage catalytic converter required extent is increased. The disadvantage of this double injection is that relatively high demands are placed on the control and the injection device.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur einfachen Schwefelregeneration eines NOx-Speicherkatalysators einer Brennkraftmaschine vorzuschlagen.The object of the invention is to propose a method for simple sulfur regeneration of an NOx storage catalytic converter of an internal combustion engine.

Erfmdungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß während der Phase der Schwefelregeneration der Brennkraftmaschine, welche bei Normalbetrieb geschichtet mager und in Phasen der NOx-Desorption homogen-fett betrieben wird, eine Ladungsschichtung im Brennraum erzeugt wird.According to the invention, this is achieved in that a charge stratification is generated in the combustion chamber during the phase of sulfur regeneration of the internal combustion engine, which is operated leanly during normal operation and operated homogeneously rich in phases of NOx desorption.

Otto-Brennkraftmaschinen mit NOx-Speicherkatalysatoren werden üblicherweise außerhalb der Desorptionsphasen für den NOx-Speicherkatalysator geschichtet und überstöchiometrisch, beispielsweise bei etwa λ=2 bis 3 betrieben. Während der Phase der NOx-Desorption wird die Brennkraftmaschine kurzzeitig homogen und fett, beispielsweise bei etwa λ=0,8 bis 0,9 betrieben. Die entstehende Temperaturerhöhung ist aber zu gering für die Schwefeldesorption des Speicherkatalysators.Otto engine with NOx storage catalytic converters are usually stratified outside the desorption phases for the NOx storage catalytic converter and operated overstoichiometrically, for example at about λ = 2 to 3. During the NOx desorption phase, the internal combustion engine is operated briefly homogeneously and richly, for example at approximately λ = 0.8 to 0.9. The resulting temperature increase is too low for the sulfur desorption of the storage catalytic converter.

Die Erzeugung einer leicht unterstöchiometrischen Ladungsschichtung bewirkt allerdings, daß die Abgastemperatur auf mindestens 600° bis 650°C erhöht werden können. Der λ-Wert wird dabei vorzugsweise auf 0,92 bis 0,99 eingestellt. Versuche haben ergeben, daß diese leichte Anfettung bei geschichtetem Betrieb genügt, um die für die SOx-Adsorption notwendige reduzierende Abgaszusammensetzung zu schaffen. Durch HC und CO im Abgas wird S03 zu SOz unter Bildung von H20 und C02 reduziert, ohne daß es zu einem übermäßigen Ansteigen der HC-Emissionen kommt.However, the generation of a slightly sub-stoichiometric charge stratification means that the exhaust gas temperature can be increased to at least 600 ° to 650 ° C. The λ value is preferably set to 0.92 to 0.99. Experiments have shown that this slight enrichment in stratified operation is sufficient to create the reducing exhaust gas composition required for SOx adsorption. HC and CO in the exhaust gas reduce S03 to SOz with the formation of H20 and C02 without causing excessive increases in HC emissions.

Besonders vorteilhaft für die Schwefelregeneration des Speicherkatalysators ist es, wenn während der Schwefelregeneration der Einspritzbeginn für den Kraftstoff in den Bereich des Kompressionstaktes verschoben wird, wobei vorzugsweise der Beginn der Einspritzung auf einen Zeitpunkt zwischen 160° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt und 70° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt eingestellt wird.It is particularly advantageous for the sulfur regeneration of the storage catalytic converter if, during the sulfur regeneration, the start of injection for the fuel is shifted into the region of the compression stroke, the beginning of the injection preferably being between 160 ° crank angle before top dead center and 70 ° crank angle before top dead center is set.

Dadurch kommt es zu einer Verzögerung der Verbrennung, was einerseits zu niedrigeren Verbrennungsspitzentemperaturen, andererseits zu höheren Verbrennungsendtemperaturen führt. Durch die deutliche Reduzierung der Verbrennungsspitzentemperaturen wird außerdem die Entstehung von NOx-Emissionen behindert. Andererseits begünstigt die verzögerte Verbrennung durch die höheren Temperaturen am Verbrennungsende die Oxidation der Kohlenwasserstoffe, was sich vorteilhaft auf die HC-Emissionswerte auswirkt. Der Beginn der Einspritzung wird dabei auf einen Zeitpunkt etwa zwischen 160° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt und 70° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt eingestellt. Ein Einspritzbeginn nach 70° vor dem oberen Totpunkt würde bewirken, daß zu wenig Zeit zur Verfügung stehen 3 AT 003 392 Ul würde, um ausreichend Luft für die Verbrennung zu den Kraftstoffartikeln zu bringen. Dadurch käme es zu einer unvollständigen Verbrennung und unakzeptabler Rußbildung.This leads to a delay in combustion, which on the one hand leads to lower combustion peak temperatures and on the other hand to higher combustion end temperatures. The significant reduction in combustion peak temperatures also hinders the generation of NOx emissions. On the other hand, the delayed combustion due to the higher temperatures at the end of the combustion favors the oxidation of the hydrocarbons, which has an advantageous effect on the HC emission values. The start of the injection is set at a time approximately between 160 ° crank angle before top dead center and 70 ° crank angle before top dead center. Starting injection after 70 ° before top dead center would result in too little time being available 3 AT 003 392 Ul to bring enough air for the combustion to the fuel items. This would result in incomplete combustion and unacceptable soot formation.

Bei zu früher Einspritzung vor 160° vor dem oberen Totpunkt OT kann es zu Stabilitätsproblemen der Ladungsschicht kommen, da diese leicht aus dem Zündbereich abwandem oder zerfallen kann. Die erreichbare Temperaturerhöhung wäre bei zu früher Einspritzung für eine Schwefelregeneration zu gering.If the injection is made too early before 160 ° before top dead center TDC, stability problems of the charge layer can arise, since this can easily move or disintegrate from the ignition area. The achievable temperature increase would be too small for a sulfur regeneration if the injection were too early.

Die zur Schwefelregeneration erforderliche Abgastemperaturerhöhung wird noch unterstützt, wenn während der Schwefelregeneration der Zündzeitpunkt, vorzugsweise um etwa 5° bis 20° Kurbelwinkel, nach Spät verschoben wird.The increase in exhaust gas temperature required for sulfur regeneration is further supported if the ignition point is shifted late, preferably by about 5 ° to 20 ° crank angle, during the sulfur regeneration.

Ein sicheres Maß für die Schwefeladsorption des Speicherkatalysators ist dessen abnehmende NOx-Adsorptionsfähigkeit. Im Rahmen der Erfindung ist daher vorgesehen, daß die Schwefelregeneration aus dem Zeitintervall zwischen zwei aufeinander folgenden NOx-Regenerationen bestimmt wird, wobei bei Unterschreiten eines festgelegten Mindestregenerationsintervalles die Phase der Schwefelregeneration eingeleitet wird.A reliable measure of the sulfur adsorption of the storage catalytic converter is its decreasing NOx adsorption capacity. It is therefore provided in the context of the invention that the sulfur regeneration is determined from the time interval between two successive NOx regenerations, the phase of the sulfur regeneration being initiated when the temperature falls below a predetermined minimum regeneration interval.

Nach Abschluß der Schwefeldesorption wird das Gesamtluftverhältnis wieder auf einen Wert für den Normalbetrieb von λ>1 eingestellt.After completion of the sulfur desorption, the total air ratio is reset to a value for the normal operation of λ> 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich besonders vorteilhaft bei einer direkteinspritzen-den Otto-Brennkraftmaschine einsetzen. Es kann aber auch bei anderen Brennkraftmaschinen mit NOx-Speicherkatalysator verwendet werden.The method according to the invention can be used particularly advantageously in a direct injection gasoline internal combustion engine. However, it can also be used in other internal combustion engines with a NOx storage catalytic converter.

Die Erfindung wir im Folgenden anhand der Diagramme näher erläutert.The invention is explained in more detail below on the basis of the diagrams.

Es zeigen die Fig. 1 bis 5 Diagramme mit Motorbetriebsparametem, wobei in Fig. 1 der Einspritzzeitpunkt, in Fig. 2 der -λ-Wert, in Fig. 3 der Zündzeitpunkt, in Fig. 4 die Abgastemperatur über der Zeitachse t aufgetragen ist. Fig. 5 zeigt ein Wärmefreisetzungs-Kurbelwinkel-Diagramm.1 to 5 show diagrams with engine operating parameters, the injection timing in FIG. 1, the -λ value in FIG. 2, the ignition timing in FIG. 3 and the exhaust gas temperature in FIG. 4 over the time axis t. 5 shows a heat release crank angle diagram.

In den Fig. 1 bis 4 sind jeweils drei Bereiche A, B, C eingezeichnet, wobei der Zeitbereich B die Schwefelregeneration definiert. A kennzeichnet den Zeitabschnitt vor der Schwefelregeneration und C den Zeitabschnitt nach der Schwefelregeneration. Der Beginn der Schwefelregeneration ist auf der Zeitachse t mit t, und das Ende der Schwefelregeneration mit t2 bezeichnet. In Fig. 1 ist der Beginn der Kraftstoffeinspritzung E in Grad Kurbelwinkel KW vor dem oberen Totpunkt aufgetragen. Zum Zeitpunkt t,, dem Beginn der Schwefelregeneration, wird der Beginn der Kraftstoffeinspritzung E von 80° Kurbelwinkel auf etwa 120° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt eingestellt. Gleichzeitig wird das Kraftstoff-Luftverhältnis von einem λ-Wert zwischen 2 bis 3 auf einen λ-Wert zwischen 0,92 und 0,99 angereichert und der Zündzeitpunkt Z von etwa 28° Kurbelwinkel KW auf etwa 15° Kurbelwinkel KW vor dem oberen Totpunkt OT nach spät verschoben.1 to 4, three areas A, B, C are shown, the time area B defining the sulfur regeneration. A denotes the period before sulfur regeneration and C the period after sulfur regeneration. The beginning of the sulfur regeneration is indicated on the time axis t with t, and the end of the sulfur regeneration with t2. In Fig. 1 the start of fuel injection E is plotted in degrees crank angle KW before top dead center. At time t 1, the start of sulfur regeneration, the start of fuel injection E is set from 80 ° crank angle to approximately 120 ° crank angle before top dead center. At the same time, the fuel-air ratio is enriched from a λ value between 2 to 3 to a λ value between 0.92 and 0.99 and the ignition timing Z from approximately 28 ° crank angle KW to approximately 15 ° crank angle KW before top dead center OT postponed late.

Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß die Abgastemperatur T von etwa 320°C auf etwa 610°C ansteigt. Zum Zeitpunkt t, am Ende der Schwefelregeneration B werden am Beginn der 4 AT 003 392 UlThese measures ensure that the exhaust gas temperature T increases from approximately 320 ° C. to approximately 610 ° C. At time t, at the end of sulfur regeneration B, 4 AT 003 392 Ul

Einspritzung E, λ-Wert und Zündzeitpunkt Z wieder auf den früheren Wert zurückgesetzt, wodurch die Abgastemperatur wieder auf den früheren Wert absinkt.Injection E, λ value and ignition point Z are reset to the previous value, as a result of which the exhaust gas temperature drops again to the earlier value.

In Fig. 5 ist die Wärmeffeisetzung Q über dem Kurbelwinkel KW für drei verschiedene Einspritzzeitpunkte aufgetragen. Die Linie 1 zeigt einen Einspritzbeginn bei 320°Kurbelwinkel KW vor dem oberen Totpunkt OT, eine Einstellung, wie sie bei direkteinspritzenden Otto-Brennkraftmaschinen im normalen Homogenbetrieb verbrauchsoptimal verwendet wird. Die Linie 2 zeigt eine Einspritzbeginneinstellung von 130° KW vor dem oberen Totpunkt OT und die Linie 3 einen Einspritzbeginn von 110° Kurbelwinkel KW vor dem oberen Totpunkt OT. Deutlich ist zu erkennen, daß der Wärmefreisetzungsspitzenwert für die einen späteren Einspritzbeginn repräsentierenden Kurven 2 und 3 deutlich unter dem Spitzenwert der Linie 1 liegt. Dadurch kommt es zu wesentlich geringeren Spitzentemperaturen während der Verbrennung. Andererseits ist die Verbrennungsendtemperatur bei den durch die Linien 2 und 3 dargestellten Beispielen aufgrund des verzögerten Verbrennungsendes deutlich höher, als bei der in Linie 1 dargestellten üblichen Einspritzbeginn-Festlegung. Die höheren Verbrennungsendtemperaturen bewirken ein deutliches Ansteigen der Abgastemperaturen - ein Effekt, den sich die vorliegende Erfindung zu Nutze macht. 55, the heat release Q is plotted against the crank angle KW for three different injection times. Line 1 shows the start of injection at 320 ° crank angle KW before top dead center TDC, a setting such as is used optimally in direct homogeneous gasoline engines in normal homogeneous operation. Line 2 shows an injection start setting of 130 ° KW before top dead center OT and line 3 shows an injection start of 110 ° crank angle KW before top dead center OT. It can clearly be seen that the heat release peak value for curves 2 and 3, which represent a later start of injection, is clearly below the peak value of line 1. This leads to significantly lower peak temperatures during combustion. On the other hand, the combustion end temperature in the examples represented by lines 2 and 3 is significantly higher due to the delayed combustion end than in the usual injection start determination shown in line 1. The higher final combustion temperatures cause a significant increase in exhaust gas temperatures - an effect that the present invention takes advantage of. 5

Claims

AT 003 392 Ul CLAIMS 1. Method for sulfur regeneration of a NOx storage catalyst of a direct-injection internal combustion engine, which adsorbs NOx in an oxidizing exhaust gas composition and desorbs in a reducing exhaust gas composition, and which desorbs SOx in a reducing exhaust gas composition with a temporary temperature increase during a phase of sulfur regeneration , wherein during the phase of sulfur regeneration the air-fuel ratio λ is set to a value <1, characterized in that during the sulfur regeneration of the internal combustion engine, which is operated leanly during normal operation and operated homogeneously rich in phases of NOx desorption, one Charge stratification is generated in the combustion chamber.

2. The method according to claim 1, characterized in that during the sulfur regeneration, the start of fuel injection is shifted into the compression stroke area, preferably the start of the injection to a point in time between 160 ° crank angle (KW) before top dead center (TDC) and 70 ° crank angle (KW) before top dead center (TDC) is set.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the air-fuel ratio λ is set to a value between 0.92 and 0.99 during the phase of sulfur regeneration.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that during the sulfur regeneration the ignition point, preferably by about 5 ° to 20 ° crank angle, is shifted late.

5. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the sulfur regeneration is determined from the time interval between two consecutive NOx regenerations, the phase of the sulfur regeneration being initiated when the temperature falls below a predetermined minimum regeneration interval. 6