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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entschwefelung
eines Vorkatalysators von Verbrennungskraftmaschinen mit den in
den Oberbegriffen der unabhängigen
Ansprüche
1 und 13 genannten Merkmalen. Ein derartiges Verfahren und eine
entsprechende Vorrichtung sind beispielsweise aus der
DE 199 18 756 A1 bekannt.
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Bekannte,
zur Abgasreinigung eingesetzte Katalysatorsysteme bestehen häufig aus
einem motornah angeordneten, kleinvolumigen Vorkatalysator und einem
in einem Abgasweg weiter stromab angeordneten, größeren Hauptkatalysator.
Die Katalysatorkomponenten können
dabei als Oxidationskatalysatoren zur Konvertierung von unverbrannten
Kohlenwasserstoffen HC und Kohlenmonoxid CO ausgestaltet sein, als
Reduktionskatalysatoren zur Reduzierung von Stickoxiden NOx oder als 3-Wege-Katalysatoren, welche die
genannten oxidativen und reduktiven Konvertierungen gleichzeitig
fördern.
Im Falle magerlauffähiger
Verbrennungskraftmaschinen kann der Hauptkatalysator zusätzlich mit
einer NOx-Speicherkomponente ausgestattet sein,
der in mageren Betriebsphasen, in denen die Verbrennungskraftmaschine
mit einem sauerstoffreichen Luft-Kraftstoff-Gemisch mit λ > 1 beaufschlagt wird, einen Überschuss
an Stickoxiden NOx einspeichert, um diese
in fetten Betriebsintervallen wieder freizusetzen und zu reduzieren.
Derartige Katalysatoren werden auch als NOx-Speicherkatalysatoren
bezeichnet.
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Ein
in der Abgasreinigung bekanntes Problem stellt in Kraftstoffen enthaltener
Schwefel dar, der im Verbrennungsprozess nahezu vollständig zu Schwefeldioxid
SO2 verbrannt wird und sich in unterschiedlichen
Formen an den verschiedenen Komponenten des Katalysatorsystems einlagert.
Dieses Problem betrifft am stärksten
die NOx-Speicherkomponenten von NOx-Speicherkatalysatoren,
die SO2 bei mageren Verbrennungslambdas
mit einem nahezu 100%igen Einlagerungswirkungsgrad in Form von Sulfat
SO4 2– speichern. Die Folge
ist eine schleichende Desaktivierung der NOx-Speicherfähigkeit
des Speicherkatalysators (Schwefelvergiftung), welche zur Entwicklung
verschiedener Entschwefelungsverfahren für NOx-Speicherkatalysatoren
geführt
hat. Dabei wird grundsätzlich
der Katalysator bei Katalysatortemperaturen von mindestens 650°C mit einer fetten
Abgasatmosphäre
beaufschlagt, um das eingespeicherte Sulfat zu desorbieren und hauptsächlich zu
SO2 zu reduzieren.
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Neben
der Verschwefelung von NOx-Speicherkomponenten
kommt es – allerdings
in viel geringerem Ausmaß – auch zu
einer Einlagerung von Schwefel in andere Komponenten des Katalysatorsystems.
Dieses sind im Wesentlichen Edelmetalle (Pt, Pd, Ru) der katalytischen
Beschichtungen sowie Sauerstoff-speichernde Komponenten OSC (oxygen storage
components). Bei Katalysatortemperaturen, die oberhalb einer Komponenten-spezifischen
Desorptionstemperatur liegen (etwa 400 bis 450°C bei OSC und etwa 500°C bei Edelmetallen),
und unter einer fetten Abgasatmosphäre kann der eingelagerte Schwefel
wieder ausgetrieben werden. Nachteilig hieran ist, dass der aus
dem Vorkatalysator freigesetzte Schwefel zum Teil von dem nachgeschalteten Hauptkatalysator
eingelagert wird. Handelt es sich dabei um einen NOx-Speicherkatalysator,
erfolgt die Einlagerung praktisch vollständig. Die Folge ist eine häufige Entschwefelungsnotwendigkeit
des Hauptkatalysators und ein hierdurch verursachter hoher Kraftstoffmehrverbrauch.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Entschwefelung eines Vorkatalysators zur Verfügung zu
stellen, das zu einer möglichst
geringen Verschwefelung eines nachgeschalteten Hauptkatalysators
führt.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Bei
einem Verfahren zur Entschwefelung eines in einem Abgaskanal einer
magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine
angeordneten Katalysators, dem ein Hauptkatalysator, insbesondere
ein NOx-Speicherkatalysator, nachgeschaltet
ist, wird bei einem zumindest zeitweisen Vorliegen einer Temperatur
des Vorkatalysators, die größer oder
gleich einer Schwefel-Desorptionstemperatur des Vorkatalysators
ist,
- (a) in einer ersten Phase die Verbrennungskraftmaschine
mit einem ersten fetten Verbrennungslambda so lange beaufschlagt,
bis ein Sauerstoffspeicher des Hauptkatalysators zumindest weitgehend
sauerstofffrei ist, und
- (b) in einer anschließenden
zweiten Phase das Verbrennungslambda der Verbrennungskraftmaschine
auf ein zweites fettes Verbrennungslambda, das größer als
das erste fette Verbrennungslambda und kleiner eins ist, angehoben.
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Erfindungsgemäß erfolgt
zudem eine Hochrechnung (Prognose) der Vorkatalysatortemperatur für eine gewisse
zukünftige
Zeitspanne. Wird durch die Hochrechnung ein Erreichen der Schwefel-Desorptionstemperatur
innerhalb der Zeitspanne aufgrund eines besonders schnellen Temperaturanstieges
prognostiziert, so kann die erste Phase der Entschwefelung des Vorkatalysators
bereits eingeleitet werden, ehe dieser die Desorptionstemperatur
erreicht hat. Auf diese Weise kann die Sauerstoffentfernung der
ersten Phase des Verfahrens bereits unterhalb der Desorptionstemperatur
einer oder aller Vorkatalysatorkomponenten teilweise oder sogar
vollständig
abgewickelt werden.
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Die
Erfindung macht sich den Umstand zunutze, dass H2S
nur in Gegenwart von Sauerstoff in nennenswertem Umfang in die Sauerstoff-speichernden
Komponenten (OSC) und/oder den NOx-Speicher
des Hauptkatalysators eingespeichert werden kann, da die Speicherung
zunächst
die Oxidation von H2S erfordert. Daher wird
in der ersten Phase Sauerstoff aus dem gesamten Katalysatorsystem,
insbesondere aus dem Sauerstoffspeicher des Hauptkatalysators, weitgehend
entfernt. Eine Sauerstoffspeicherkapazität des Hauptkatalysators sollte
danach höchstens
zu 20%, vorzugsweise zu weniger als 10%, belegt sein. Vorteilhafterweise
wird in der ersten Phase das Verbrennungslambda möglichst
niedrig, das heißt
möglichst
sauerstoffarm, gewählt.
Dabei haben sich insbesondere Lambdawerte von 0,7 bis 0,95, vorzugsweise
von 0,8 bis 0,9, bewährt.
Diese vergleichsweise niedrigen Lambdawerte begünstigen einerseits die H2S-Bildung gegenüber der, bei weniger fetten
Abgasatmosphären
vorherrschenden SO2-Bildung. Gleichzeitig
wird so die Sauerstoffentfernung des Katalysatorsystems besonders
schnell und erschöpfend
erzielt. Der Verlauf der Sauerstoffentfernung kann in einfacher
Weise mittels einer dem Hauptkatalysator nachgeschalteten, sauerstoffempfindlichen
Messeinrichtung überwacht
werden. Dabei kann es sich etwa um eine Lambdasonde oder um einen
mit einer Lambdamessfunktion ausgestatteten NOx-Sensor
handeln.
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Um
Durchbrüche
von Schadstoffen (CO und HC) möglichst
weitgehend zu unterdrücken,
wird in der anschließenden
zweiten Phase das Verbrennungslambda auf einen möglichst knapp unterhalb von
eins befindlichen Lambdawert angehoben. Insbesondere kann die zweite
Phase vorteilhaft bei einem Verbrennungslambda von 0,95 bis 0,995,
vorzugsweise von 0,98 bis 0,99, durchgeführt werden. Da zu dieser Zeit
der Vorkatalysator praktisch sauerstofffrei ist und mit einer reduzierenden
Abgasatmosphäre
beaufschlagt wird, erfolgt die Schwefelfreisetzung nahezu ausschließlich in
Form von H2S. Da ferner die Einspeicherung
des Schwefels in die Sauerstoff-speichernden Komponenten (OSC) oder
in die NOx-Speicherkomponenten des Hauptkatalysators eine
Oxidation von H2S über SO2 zu
SO3 erfordert, im Hauptkatalysator jedoch
ebenfalls kein Sauerstoff zur Verfügung steht, kann eine Schwefeleinlagerung
allenfalls mit einem sehr geringen Wirkungsgrad erfolgen. Die Entschwefelung
des Vorkatalysators erfolgt also weitgehend ohne erneute Einlagerung
des Schwefels in den Hauptkatalysator.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen,
das zweite fette Verbrennungslambda so lange aufrecht zu erhalten,
bis der Vorkatalysator zumindest weitgehend schwefelfrei ist, ehe
die zweite Phase beendet und die Verbrennungskraftmaschine wieder
in den regulären
Betriebsmodus geschaltet wird. Dafür kann etwa der Schwefeleintrag
und/oder der Schwefelaustrag in beziehungsweise aus dem Vorkatalysator kontinuierlich
modelliert werden, so dass eine (modellierte) Schwefelgesamtbeladung
des Vorkatalysators ermittelt werden kann. Eine Beendigung der zweiten
Phase und Umschaltung der Verbrennungskraftmaschine in den regulären Magerbetrieb
erfolgt vorteilhaft dann, wenn die Modellrechnung eine weitgehend
vollständige
oder eine anderweitig vorgegebene Schwefelentleerung des Vorkatalysators
anzeigt. Die Modellierung des Schwefeleintrags und des Schwefelaustrags
kann in bekannter Weise anhand aktueller Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine,
insbesondere anhand der Verbrennungsparameter, erfolgen.
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Die
Temperatur des Vorkatalysators kann entweder mittels eines am, vor
oder nach dem Vorkatalysator angeordneten Temperatursensors gemessen
werden oder anhand einer Modellrechnung unter Berücksichtigung
geeigneter Betriebsparameter ermittelt werden. Die Hochrechnung
der Vorkatalysatortemperatur erfolgt vorzugsweise unter Berücksichtigung
einer Stellung eines Pedalwertgebers (PWG) eines Gaspedals, einer
Dynamik des Pedalwertgebers, einer Motordrehzahl, einer eingespritzten
Kraftstoffmenge, der aktuellen Vorkatalysatortemperatur, einer Dynamik
der Vorkatalysatortemperatur, der modellierten Schwefelbeladung
des Vorkatalysators und/oder einer Sauerstoffspeicheraktivität des Vorkatalysators.
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Nach
einer besonders vorteilhaften Ausführung des Verfahrens können das
erste und/oder das zweite fette Verbrennungslambda in Abhängigkeit von
den vorstehend genannten Parametern vorgegeben werden. Alternativ
oder zusätzlich
können
die Verbrennungslambdas der ersten und der zweiten Phase unter Berücksichtigung
eines Zustandes des Hauptkatalysators vorgegeben werden. Hier kommen
vor allem eine Temperatur und/oder Temperaturdynamik, eine modellierte
Schwefelbeladung, eine Konvertierungsaktivität und/oder eine Sauerstoffspeicheraktivität des Hauptkatalysators
in Frage.
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Da
in einem üblichen
Betrieb magerlauffähiger
Verbrennungskraftmaschinen fette Betriebsintervalle aus verschiedensten
Gründen
regelmäßig notwendig
werden, ist bevorzugt vorgesehen, eine solche ”natürliche” fette Betriebsphase für die erfindungsgemäße Entschwefelung
des Vorkatalysators zu nutzen und entsprechend der genannten Vorgaben
auszugestalten, sofern die Vorkatalysatortemperatur die Schwefel-Desorptionstemperatur überschreitet.
Im Falle eines als NOx-Speicherkatalysator ausgestalteten Hauptkatalysators
kann insbesondere ein NOx-Regenerationsintervall
zur erfindungsgemäßen Entschwefelung
des Vorkatalysators genutzt werden. Denkbar ist jedoch auch, Fettintervalle
einer sogenannten Zwangsamplitude eines stöchiometrischen Betriebes (λ = 1) bei
3-Wege-Katalysatorsystemen
zu nutzen.
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Die
Erfindung umfasst ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens. Die Vorrichtung sieht Mittel vor, mit denen die geschilderten
Verfahrensschritte ausführbar
sind. Die Mittel umfassen eine Steuereinheit, in der ein Algorithmus
zur Steuerung der Verfahrensschritte in digitaler Form hinterlegt
ist. Diese Steuerung kann vorteilhaft auch in ein Motorsteuergerät des Fahrzeuges
integriert sein.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen,
in den Unteransprüchen
genannten Merkmalen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der
zugehörigen
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasanlage;
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2 zeitliche
Verläufe
verschiedener Betriebs- und Abgasparameter der Abgasanlage nach 1 während eines
herkömmlichen
Betriebs der Abgasanlage und
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3 zeitliche
Verläufe
verschiedener Betriebs- und Abgasparameter der Abgasanlage nach 1 während einer
erfindungsgemäßen Entschwefelung
eines Vorkatalysators.
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Der
in der 1 dargestellten Verbrennungskraftmaschine 10 ist
eine insgesamt mit 12 bezeichnete Abgasanlage zugeordnet.
Die Abgasanlage 12 umfasst einen Abgaskanal 14,
in dem in einer motornahen Position ein kleinvolumiger Vorkatalysator 16 – typischerweise
ein 3-Wege-Katalysator – sowie
in einer Unterbodenposition des Fahrzeuges ein großvolumiger
NOx-Speicherkatalysator 18 angeordnet
ist. Neben dem Katalysatorsystem 16, 18 beherbergt
der Abgaskanal 14 üblicherweise
verschiedene, im Einzelnen nicht gezeigte Gas- und/oder Temperatursensoren
zur Regelung der Verbrennungskraftmaschine 10. Dargestellt
ist hier lediglich eine sauerstoffempfindliche Messeinrichtung 20,
die stromab des NOx-Speicherkatalysators 18 installiert ist.
Die Messeinrichtung 20 kann beispielsweise eine Lambdasonde
oder ein NOx-Sensor sein, welcher mit einer
Lambdamessfunktion ausgestattet ist. In jedem Fall übermittelt
die Messeinrichtung 20 ein von einem Sauerstoffanteil des
Abgases abhängiges
Signal an ein Motorsteuergerät 22,
in welchem es digitalisiert und weiterverarbeitet wird. In dem Motorsteuergerät 22 ist
eine Steuereinheit 24 integriert, in welcher ein Algorithmus
zur Durchführung
eines Verfahrens zur Entschwefelung des Vorkatalysators 16 hinterlegt
ist. Das Motorsteuergerät 22 und
die Steuereinheit 24 sind in der Lage, mindestens einen
Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 10, insbesondere
ein zuzuführendes
Luft-Kraftstoff-Gemisch (Verbrennungslambda), in noch zu erläuternder
Weise zu beeinflussen.
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Zur
Veranschaulichung des der Erfindung zugrunde liegenden Problems
sind in 2 verschiedene Betriebs- und
Abgasparameter der in 1 dargestellten Anordnung gemäß eines
herkömmlichen,
aus dem Stand der Technik bekannten Betriebs gezeigt. Dabei ist
im unteren Diagramm der 2 mit Graph 100 ein
Verlauf des Verbrennungslambdas der Verbrennungskraftmaschine 10 dargestellt.
Das mittlere Diagramm zeigt den Vorkatalysator 16 betreffende
Parameter. Dabei stellt der Graph 102 den Verlauf einer
Sauerstoffbeladung des Vorkatalysators 16 dar. Der Graph 104 gibt
ein Verhältnis von
einem stromauf zu einem stromab des Vorkatalysators 16 vorliegenden
SO2-Anteil im Abgas wieder. Werte oberhalb
der Zeitachse t symbolisieren eine Schwefeleinlagerung in den Vorkatalysator 16,
wohingegen unterhalb der Zeitachse t liegende Werte einen Schwefelaustrag
anzeigen. In hierzu analoger Weise stellt der Graph 106 das
Verhältnis
von Schwefelwasserstoff H2S stromauf und
stromab des Vorkatalysators 16 dar. Schließlich zeigt
das obere Diagramm Parameter des Hauptkatalysators/NOx-Speicherkatalysators 18.
Hierin gibt der Graph 108 die Sauerstoffbeladung und Graph 110 das
stromauf zu stromab des NOx-Speicherkatalysators 18 vorliegende
SO2-Verhältnis
wieder.
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Bis
zu einem mit t1 bezeichneten Zeitpunkt wird
die Verbrennungskraftmaschine 10 mit einem mageren Verbrennungslambda λM beaufschlagt (Graph 100).
Aufgrund des hohen Sauerstoffanteils im Abgas in dieser Phase ist
eine Sauerstoffspeicherkapazität
sowohl des Vorkatalysators 16 als auch des NOx-Speicherkatalysators 18 voll
ausgelastet, so dass die Graphen 102 und 108 ihre
maximalen Werte anzeigen. Gleichzeitig findet in beiden Katalysatoren 16, 18 eine
kontinuierliche Einlagerung von SO2 statt (Graph 104, 110).
Dabei wird ein Teil des von der Verbrennungskraftmaschine 10 emittierten
SO2 an die Edelmetallkomponenten des Vorkatalysators 16 sowie
in die Sauerstoff-speichernden Komponenten (OSC) des Vorkatalysators 16 eingelagert.
Praktisch der gesamte restliche, den Vorkatalysator 16 passierende
SO2-Anteil wird von dem NOx-Speicher
des NOx-Speicherkatalysators 18 in
Form von Sulfat eingespeichert. Zum Zeitpunkt t1 wird
die Verbrennungskraftmaschine 10 in eine fette Betriebsphase τF mit
einem Verbrennungslambda λF < 1
umgeschaltet. Dies geschieht beispielsweise zum Zwecke einer NOx-Regeneration des Speicherkatalysators 18,
deren Notwendigkeit mittels der Messeinrichtung (des NOx-Sensors) 20 erkannt
wird. Infolge des nunmehr im Abgas vorliegenden Sauerstoffmangels
beginnt unmittelbar nach dieser Umstellung eine Entleerung des Sauerstoffspeichers
des Vorkatalysators 16 (Graph 102). Sofern – wie hier
vorausgesetzt wird – die
Vorkatalysatortemperatur mindestens einer Schwefel-Desorptionstemperatur
entspricht, setzt mit dem Wechsel in den fetten Betriebsmodus☐τF ein Austrag
des in den Vorkatalysator 16 gespeicherten Schwefels in
Form von SO2 ein, der anhält, solange der
Sauerstoffspeicher nicht vollständig
entleert ist (Graph 104). In dieser Phase ist der Sauerstoffspeicher
des NOx-Speicherkatalysators 18 (Graph 108) noch
nahezu vollständig
gefüllt.
Dies ist auf eine Abgaslaufzeit, die insgesamt viel höhere Sauerstoffspeicherkapazität des Hauptkatalysators 18 sowie auf
die Freisetzung von Oxidationsmitteln durch die am Vorkatalysator 16 stattfindenden
Prozesse zurückzuführen. Die
Gegenwart von Sauerstoff bewirkt eine nahezu vollständige Einlagerung
des von dem Vorkatalysator 16 emittierten SO2 in
den Hauptkatalysator 18 (Graph 110).
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Sobald
der Sauerstoffspeicher des Vorkatalysators 16 vollständig erschöpft ist
(Graph 102), endet die SO2-Freisetzung
durch den Vorkatalysator 16 (Graph 104), da eine
Oxidation der eingelagerten Schwefelkomponenten zu SO2 nun
nicht mehr möglich
ist. Da der Vorkatalysator 16 jedoch weiterhin die Schwefel-Desorptionstemperatur überschreitet,
beginnt nunmehr die Freisetzung des eingelagerten Schwefels in Form
von Schwefelwasserstoff H2S (Graph 106).
Solange am Hauptkatalysator 18 noch geringste Mengen Sauerstoff
gespeichert sind, erfolgt eine Oxidation des vom Vorkatalysator 16 emittierten
H2S und seine praktisch vollständige Einlagerung
sowohl in den NOx-Speicher als auch in die
OSC des Speicherkatalysators 18 (Graph 110). Erst
nach vollständiger
Entleerung des Sauerstoffspeichers ist am Ende der NOx-Regeneration τF ein
geringfügiger H2S-Durchbruch durch den NOx-Speicherkatalysator 18 zu
verzeichnen. Dieser durchbrechende H2S-Anteil
ist durch den schraffierten Bereich 112 unter dem Graphen 106 gekennzeichnet.
Nach Beendigung der NOx-Regeneration zum Zeitpunkt t2, an dem die Verbrennungskraftmaschine 10 wieder
in den mageren Betriebsmodus mit λM > 1
geschaltet wird, beginnt ein erneutes Auffüllen des Sauerstoffspeichers
des Vorkatalysators 16 (Graph 102) und damit ein
Rückgang und
Ende der H2S-Emission (Graph 106).
Beide Katalysatoren 16, 18 beginnen wieder mit
der Einlagerung von SO2 (Graph 104, 110).
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Insgesamt
wird deutlich, dass im herkömmlichen
Betrieb nahezu das gesamte, von der Verbrennungskraftmaschine 10 emittierte
SO2 sowohl in mageren als auch in fetten
Betriebsphasen von dem Katalysatorsystem 16, 18 eingelagert
wird. Während der
Vorkatalysator 16 bei entsprechender Temperatur während der
fetten Betriebsphasen τF immerhin noch eine gewisse Entschwefelung
erfährt,
kommt es durch Schwefelumlagerung vom Vor- in den Hauptkatalysator
zu einer zunehmenden Verschwefelung des Hauptkatalysators 18.
Die Folge ist eine Abnahme seiner Konvertierungsaktivität sowie
im Falle von NOx-Speicherkatalysatoren eine
Abnahme seiner NOx-Speicheraktivität. Durch
die nahezu vollständige Umlagerung
des von dem Vorkatalysator 16 emittierten Schwefels in
den Hauptkatalysator 18, werden die Abstände, in
denen eine aktive Herbeiführung von
Entschwefelungen des Hauptkatalysators 18 erforderlich
werden, verkürzt.
Da diese Entschwefelungen des Hauptkatalysators 18 sehr
hohe Katalysatortemperaturen (im Falle von NOx-Speicherkatalysatoren ≥650°C) erfordern,
ist dies mit einem hohen Kraftstoffmehrverbrauch verbunden.
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Um
dieses Problem wenigstens abzuschwächen oder zu überkommen,
wird die im Folgenden anhand von 3 dargestellte
Vorgehensweise vorgeschlagen:
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3 zeigt
die gleichen Parameter wie 2, diesmal
jedoch während
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Entschwefelung des Vorkatalysators 16. Zunächst befindet
sich die Verbrennungskraftmaschine 10 in einem mageren
Betriebsmodus mit λM > 1.
Zu einem Zeitpunkt t1 wird beispielsweise
anhand eines gemessenen NOx-Durchbruches eine
NOx-Regenerationsnotwendigkeit des NOx-Speicherkatalysators 18 erkannt.
Gleichzeitig wird die Vorkatalysatortemperatur mittels eines Temperatursensors
gemessen oder von der Steuereinheit 24 in Abhängigkeit
von geeigneten Betriebsparametern anhand theoretischer Modelle oder
abgespeicherter Datenfelder ermittelt. Diese Vorgehensweise ist
dem Fachmann geläufig
und soll hier nicht näher erläutert werden.
Anschließend
wird überprüft, ob die Vorkatalysatortemperatur
eine Schwefel-Desorptionstemperatur zumindest einer der Schwefel-einlagernden
Komponenten des Vorkatalysators 16 übersteigt. Die Desorptionstemperatur
beträgt
etwa 450°C
für die
Sauerstoff-speichernden Komponenten (OSC) und etwa 500°C für die Edelmetallkomponenten
der katalytischen Beschichtung. Wird das Vorliegen einer ausreichend
hohen Temperatur festgestellt, wird die erfindungsgemäße Entschwefelung des
Vorkatalysators 16 eingeleitet. Dafür wird in einer ersten Phase τF1 das
Katalysatorsystem mit einer fetten Abgasatmosphäre mit λF1 < 1 beaufschlagt.
Die hierdurch hervorgerufenen Prozesse an Vor- und Hauptkatalysator ähneln zunächst denen
der 2: Der Sauerstoffspeicher des Vorkatalysators 16 wird entleert
(Graph 102) und in den Vorkatalysator 16 eingelagerter
Schwefel wird in Form von SO2 freigesetzt
(Graph 104) und nahezu vollständig in den noch nicht sauerstofffreien
NOx-Speicherkatalysator 18 eingelagert
(Graph 110). Der Lambdafettwert λF1 wird so
lange aufrechterhalten, bis die stromab des NOx-Speicherkatalysators 18 angeordnete
sauerstoffempfindliche Messeinrichtung 20 eine fette Abgasatmosphäre und damit
die vollständige
Sauerstoffentleerung des Katalysatorsystems, inklusive des Speicherkatalysators 18,
detektiert. Als Kriterium hierfür kann
ein geeigneter Lambdawert beziehungsweise eine Sondenspannung als
Grenzwert vorgegeben werden. Während
dieser ersten Phase τF1 kann der Lambdafettwert niedriger, das
heißt
fetter, gegenüber herkömmlichen
NOx-Regenerationsverfahren gewählt werden.
insbesondere hat sich ein Lambdafettwert λF1 von
0,8 bis 0,9 als vorteilhaft erwiesen. Auf diese Weise wird die Sauerstoffentleerung
des Katalysatorsystems 16, 18 beschleunigt und
die H2S-Bildung am Vorkatalysator 16 begünstigt.
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Nach
Detektion des fetten Abgases durch die Messeinrichtung 20 wird
das Verbrennungslambda auf einen zweiten Lambdafettwert λF2 angehoben, der
nur geringfügig
kleiner als eins ist (Graph 100). Vorzugsweise beträgt λF2 0,98
bis 0,99. Die Annäherung
des Lambdawertes an eine stöchiometrische Abgaszusammensetzung
dient der Vermeidung von Schadstoffdurchbrüchen durch Kohlenmonoxid und unverbrannten
Kohlenwasserstoffen. Der während dieser
zweiten Phase τF2 weiterhin vom Vorkatalysator 16 in
Form von H2S emittierte Schwefel kann vom NOx- Speicherkatalysator 18 allenfalls
mit einem geringen Wirkungsgrad eingelagert werden, da für die Speicherung
des Schwefels an den Sauerstoff- oder den NOx-Speicherkomponenten
eine Oxidation von H2S über SO2 zu
SO3 erforderlich ist, um Sulfate (SO4 2–) bilden zu können. Für diese
Reaktionen steht jedoch kein Sauerstoff zur Verfügung, so dass der Schwefel
weitgehend ohne Einlagerung emittiert wird. Lediglich an den Edelmetallkomponenten
des NOx-Speicherkatalysators 18 kann
eine geringfügige Einlagerung
des H2S in Form von Sulfiden S2– erfolgen.
Die schraffierte Fläche 112 unter
dem Graphen 106, welche die durch den NOx-Speicherkatalysator 18 durchbrechende
Schwefelmenge kennzeichnet, verdeutlicht, dass erfindungsgemäß ein Großteil des in
den Vorkatalysator 16 eingelagerten Schwefels ausgetrieben
wird, ohne eine erneute Einlagerung in den Hauptkatalysator 18 zu
erfahren. Hierdurch wird eine schleichende Schwefelvergiftung des
Hauptkatalysators 18 verlangsamt und somit aktive, kraftstoffzehrende
Entschwefelungsmaßnahmen
des Hauptkatalysators 18 in größeren zeitlichen Abständen notwendig.
Vorteilhafterweise wird die Schwefelein- und – auslagerung des Vorkatalysators 16 kontinuierlich anhand
geeigneter Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 10 sowie
der Abgasanlage 12 modelliert, so dass die zweite Phase τF2 abgebrochen wird
und eine Rückkehr
zum Normalbetrieb mit λM > 1
erfolgt, wenn gemäß dieser
Modellrechnung die Entschwefelung des Vorkatalysators 16 weitgehend vollständig ist.
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- 10
- Verbrennungskraftmaschine
- 12
- Abgasanlage
- 14
- Abgaskanal
- 16
- Vorkatalysator
- 18
- Hauptkatalysator/NOx-Speicherkatalysator
- 20
- sauerstoffempfindliche
Messeinrichtung
- 22
- Motorsteuergerät
- 24
- Steuereinheit
- 100
- Verbrennungslambda
- 102
- Sauerstoffbeladung
Vorkatalysator
- 104
- Verhältnis SO2-Anteil Abgas stromauf zu stromab des Vorkatalysators
- 106
- Verhältnis H2S-Anteil Abgas stromauf zu stromab des Vorkatalysators
- 108
- Sauerstoffbeladung
Hauptkatalysator
- 110
- Verhältnis SO2-Anteil Abgas stromauf zu stromab des Hauptkatalysators
- 112
- H2S-Durchbruch Hauptkatalysator
- λM
- Lambdamagerwert
- λF
- Lambdafettwert
- t
- Zeit
- λF
- fette
Betriebsphase