DE10107388B4 - Process for the aftertreatment of an exhaust gas of a lean-running internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Nachbehandlung eines Abgases einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine (10), wobei mindestens ein NOx-Speicherkatalysator (18) in einen Abgaskanal (14) der Verbrennungskraftmaschine (10) angeordnet wird und die Verbrennungskraftmaschine (10) während eines Magerbetriebs zum Zwecke einer NOx-Regeneration des NOx-Speicherkatalysators (18) diskontinuierlich in Mager-Fett-Lambdaintervallen betrieben wird, wobei (a) ein NOx-Speicherkatalysator (18) verwendet wird, der zumindest ein Speichermaterial enthält, das geeignet ist, Stickoxide in Form eines derart stabilen Nitrats zu binden, dass der NOx-Speicherkatalysator (18) eine obere Temperaturgrenze (TH) eines Arbeitstemperaturbereiches von mindestens 520°C aufweist, wobei innerhalb des Arbeitstemperaturbereiches eine NOx-Mindest-Konvertierungsrate (KRmin) von mindestens 80% im zeitlichen Mittel des diskontinuierlichen Magerbetriebs der Verbrennungskraftmaschine (10) vorliegt, und die Verbrennungskraftmaschine (10) bis zu der oberen Temperaturgrenze (TH) des NOx-Speicherkatalysators (18) von mindestens 520°C im diskontinuierlichen Magerbetrieb betrieben wird, sofern nicht eine Überschreitung von Last- und/oder Drehzahlschwellen oder eine Entschwefelungsnotwendigkeit einen stöchiometrischen oder fetten Betriebsmodus erfordert, (b) eine Entschwefelungsnotwendigkeit erkannt wird, wenn die mittlere NOx-Mindest-Konvertierungsrate...A method for the aftertreatment of an exhaust gas of a lean-burn internal combustion engine (10), wherein at least one NOx storage catalytic converter (18) is arranged in an exhaust gas duct (14) of the internal combustion engine (10) and the internal combustion engine (10) is in lean operation for the purpose of NOx regeneration of the NOx storage catalytic converter (18) is operated discontinuously in lean-rich lambda intervals, with (a) a NOx storage catalytic converter (18) being used which contains at least one storage material which is suitable for binding nitrogen oxides in the form of such a stable nitrate, that the NOx storage catalytic converter (18) has an upper temperature limit (TH) of a working temperature range of at least 520 ° C, with a minimum NOx conversion rate (KRmin) of at least 80% in the time average of the discontinuous lean operation of the internal combustion engine (10 ) is present, and the internal combustion engine (10) up to the upper temperature limit (TH) of the NOx storage catalytic converter (18) of at least 520 ° C is operated in discontinuous lean operation, unless exceeding load and / or speed thresholds or a need for desulfurization requires a stoichiometric or rich operating mode, (b) a need for desulfurization is detected when the mean minimum NOx conversion rate ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachbehandlung eines Abgases einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine unter Verwendung von NOx-Speicherkatalysatoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for the after-treatment of an exhaust gas of a lean-running internal combustion engine using NO x storage catalysts according to the preamble of claim 1.

Moderne Verbrennungskraftmaschinen werden aus Gründen einer Verbrauchsoptimierung über möglichst weite Betriebsbereiche in einem mageren Betriebsmodus, das heißt mit einem sauerstoffreichen Abgas mit λ > 1, betrieben. Besonders magere Luft-Kraftstoff-Verhältnisse lassen sich in Verbrennungskraftmaschinen realisieren, die in einem so genannten geschichteten Betrieb oder auch Schichtlademodus betreibbar sind. Dabei handelt es sich um direkteinspritzende Ottomotoren, die über eine im Lufteinlasskanal angeordnete Ladungsbewegungsklappe verfügen. Die betriebspunktabhängig verstellbare Ladungsbewegungsklappe bewirkt in ihrer einen Position Strömungsverhältnisse im Brennraum eines Zylinders derart, dass sich der in einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingespritzte Kraftstoff in Form einer Kraftstoffwolke im Bereich einer Zündkerze konzentriert. Bei höheren Lastanforderungen, beispielsweise bei Fahrzeuggeschwindigkeiten oberhalb von 70 km/h, wird die Verbrennungskraftmaschine vom mageren Schichtlademodus durch entsprechende Stellung der Ladungsbewegungsklappe in einen so genannten Homogenbetrieb geschaltet, bei dem im gesamten Verbrennungsraum ein gleichmäßiges Luft-Kraftstoff-Gemisch mit λ ≤ 1 erzeugt wird.Modern internal combustion engines are for reasons of consumption optimization over the widest possible operating ranges in a lean operating mode, that is, operated with an oxygen-rich exhaust gas with λ> 1. Particularly lean air-fuel ratios can be realized in internal combustion engines, which are operable in a so-called stratified operation or even stratified charge mode. These are direct-injection gasoline engines, which have a charge movement flap arranged in the air intake duct. The operating point-dependent adjustable charge movement flap causes in its one position flow conditions in the combustion chamber of a cylinder such that the fuel injected into a combustion chamber of the internal combustion engine concentrates in the form of a fuel cloud in the region of a spark plug. At higher load requirements, for example, at vehicle speeds above 70 km / h, the internal combustion engine is switched from the lean stratified mode by corresponding position of the charge motion flap in a so-called homogeneous operation in which a uniform air-fuel mixture with λ ≤ 1 is generated in the entire combustion chamber ,

Ein Problem magerlauffähiger Verbrennungskraftmaschinen stellen Stickoxide NOx dar, die im Zuge einer katalytischen Umsetzung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC und Kohlenmonoxid CO an herkömmlichen 3-Wege-Katalysatoren nicht vollständig zu umweltneutralem Stickstoff N2 umgesetzt werden können. Zur Abhilfe ist bekannt, NOx-Speicherkatalysatoren in den Abgaskanälen von Verbrennungskraftmaschinen anzuordnen und in einem diskontinuierlichen Betrieb intervallweise mit mageren und fetten Abgasatmosphären zu beaufschlagen. Dabei erfolgt in den mageren Betriebsintervallen eine Einspeicherung von NOx in Form von Nitrat und in den kürzeren, fetten Betriebsintervallen eine Regeneration des Speicherkatalysators unter Freisetzung und Reduktion des NOx zu N2. Heutige NOx-Speicherkatalysatoren weisen einen Arbeitstemperaturbereich, in dem sie NOx mit einem ausreichenden Wirkungsgrad einspeichern und konvertieren, von etwa 200 bis 450°C auf. Überschreitet die Katalysatortemperatur die obere Grenze des Temperaturfensters, muss der magere Betriebsmodus beendet beziehungsweise unterdrückt werden und die Verbrennungskraftmaschine in einen stöchiometrischen oder fetten Betriebsmodus umgeschaltet werden, um eine Emission unkonvertierter Stickoxide zu verhindern.A problem lean burnable internal combustion engines are nitrogen oxides NO x , which can not be fully converted to environmentally neutral nitrogen N 2 in the course of a catalytic reaction of unburned hydrocarbons HC and carbon monoxide CO on conventional 3-way catalysts. To remedy this situation, it is known to arrange NO x storage catalytic converters in the exhaust gas ducts of internal combustion engines and, at intervals, to apply lean and rich exhaust gas atmospheres in a discontinuous operation. Here, in the lean operating intervals, a storage of NO x in the form of nitrate and in the shorter, fat operating intervals, a regeneration of the storage catalyst with release and reduction of NO x to N 2 . Today's NO x storage catalysts have an operating temperature range in which they store and convert NO x with sufficient efficiency from about 200 to 450 ° C. If the catalyst temperature exceeds the upper limit of the temperature window, the lean operating mode must be ended or suppressed and the internal combustion engine switched to a stoichiometric or rich operating mode in order to prevent emission of unconverted nitrogen oxides.

Ein bekanntes Problem für NOx-Speicherkatalysatoren ist in gegenwärtigen Kraftstoffen enthaltener Schwefel. Dieser wird im Verbrennungsprozess zu Schwefeldioxid SO2 verbrannt und lagert unerwünscht in Form von Sulfat in den NOx-Speicher ein. Aufgrund der hohen Stabilität ist die Sulfatbildung im Gegensatz zur gewünschten Nitratbildung unter den Bedingungen der NOx-Regeneration nicht reversibel. Um einer schleichenden Schwefelvergiftung entgegenzuwirken, ist daher notwendig, in wiederkehrenden Abständen eine Entschwefelung durchzuführen, wobei der Katalysator bei hohen Katalysatortemperaturen mit einer fetten Abgasatmosphäre beaufschlagt wird. Eine hierfür erforderliche Mindest-Entschwefelungstemperatur gegenwärtiger NOx-Speicherkatalysatoren liegt bei etwa 630°C. Wird ein Fahrzeug vorwiegend in einem Niedriglastenbereich, beispielsweise im Stadtverkehr, eingesetzt, dann wird die Mindest-Entschwefelungstemperatur am Katalysator nur selten oder sogar niemals spontan erreicht. in diesem Fall müssen aktive Heizmaßnahmen ergriffen werden, um die Katalysatortemperatur anzuheben. Hierfür kommen beispielsweise motorische Maßnahmen in Betracht, mit denen eine Verbrennungstemperatur und somit eine Abgastemperatur erhöht wird. Diese Maßnahmen führen zu einem Kraftstoffmehrverbrauch zu Lasten des durch die Magerlauffähigkeit der Verbrennungskraftmaschine erzielten Verbrauchsvorteils, der unter anderem vom Schwefelgehalt des Kraftstoffes, von der Entschwefelungstemperatur und von dem NOx-Arbeitstemperaturbereich abhängt.A known problem for NO x storage catalysts is sulfur contained in current fuels. This is burned in the combustion process to sulfur dioxide SO 2 and stored undesirable in the form of sulfate in the NO x storage. Due to its high stability, sulphate formation is not reversible under the conditions of NO x regeneration, in contrast to the desired nitrate formation. In order to counteract creeping sulfur poisoning, it is therefore necessary to carry out desulfurization at recurring intervals, the catalyst being exposed to a rich exhaust gas atmosphere at high catalyst temperatures. A required minimum desulphurisation temperature of current NO x storage catalysts is about 630 ° C. If a vehicle is used predominantly in a low-load area, for example in city traffic, then the minimum desulfurization temperature on the catalyst is rarely or even never achieved spontaneously. In this case, active heating measures must be taken to raise the catalyst temperature. For this purpose, for example, motor measures into consideration, with which a combustion temperature and thus an exhaust gas temperature is increased. These measures lead to increased fuel consumption at the expense of the consumption advantage achieved by the lean running capability of the internal combustion engine, which depends inter alia on the sulfur content of the fuel, on the desulphurisation temperature and on the NO x working temperature range.

Die Abgasreinigung von direkteinspritzenden Ottomotoren mittels NOx-Speicherkatalysatoren sowie deren Funktionsweise ist auch in Glück et al. beschrieben (Motortechnische Zeitschrift, 2000 (6), 61. Jahrgang, S. 402–412). Den Einsatz von NOx-Speicherkatalysatoren für die Nachbehandlung von Abgasen von Dieselmotoren beschreibt Bauder (Motortechnische Zeitschrift, 1998 (7/8), 59. Jahrgang, S. XI–XVIII).The exhaust gas cleaning of direct-injection gasoline engines by means of NO x storage catalysts and their mode of operation is also described in Glück et al. (Motortechnische Zeitschrift, 2000 (6), 61st year, pp. 402-412). The use of NO x storage catalysts for the aftertreatment of exhaust gases from diesel engines is described by Bauder (Motortechnische Zeitschrift, 1998 (7/8), Volume 59, p. XI-XVIII).

DE 198 16 276 A1 offenbart ein Verfahren zur Entschwefelung eines einer Verbrennungskraftmaschine nachgeschalteten NOx-Speicherkatalysators, der einen Arbeitstemperaturbereich von etwa 200 bis 450°C aufweist, in dem eine effektive NOx-Speicherung stattfindet. Die obere Temperaturgrenze von 450°C wird bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von zirka 70 km/h erreicht. Die Notwendigkeit zur Entschwefelung wird gemäß dieser Druckschrift durch Messung der NOx-Konzentration stromab des Speicherkatalysators erkannt oder mit Hilfe des Verlaufs der Sauerstoffkonzentration stromab des Speicherkatalysators während seiner NOx-Regenerierung. Die Entschwefelung selbst wird durch Beaufschlagung des Katalysators mit einer fetten Abgasatmosphäre bei einer Temperatur, die wenigstens der Mindestentschwefelungstemperatur von zirka 600°C entspricht, erreicht. DE 198 16 276 A1 discloses a method for desulfurizing an internal combustion engine downstream NO x storage catalytic converter having an operating temperature range of about 200 to 450 ° C, in which takes place an effective NO x storage. The upper temperature limit of 450 ° C is reached at a vehicle speed of about 70 km / h. The need for desulfurization is detected according to this document by measuring the NO x concentration downstream of the storage catalytic converter or by means of the course of the oxygen concentration downstream of the storage catalytic converter during its NO x regeneration. The desulphurization itself is through Exposure of the catalyst with a rich exhaust gas atmosphere at a temperature that corresponds to at least the minimum desulfurization temperature of about 600 ° C, achieved.

Gemäß DE 198 49 082 A1 erfolgt die Entschwefelung eines NOx-Speicherkatalysators bei einer Anfangstemperatur im Bereich von 580 bis 620°C.According to DE 198 49 082 A1 Desulphurisation of an NO x storage catalytic converter takes place at an initial temperature in the range from 580 to 620 ° C.

In EP 1 065 351 A1 wird ein Arbeitstemperaturbereich eines NOx-Speicherkatalysators von 250 bis 350°C offenbart sowie eine Mindestentschwefelungstemperatur von 650°C.In EP 1 065 351 A1 discloses a working temperature range of a NO x storage catalyst from 250 to 350 ° C and a minimum desulfurization temperature of 650 ° C.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Nachbehandlung eines Abgases magerlauffähiger Verbrennungskraftmaschinen mittels NOx-Speicherkatalysatoren zur Verfügung zu stellen, das gegenüber dem gegenwärtigen Stand der Technik einen höheren Verbrauchsvorteil über die Fahrzeuglebensdauer gewährleistet.The invention has for its object to provide a method for the aftertreatment of exhaust gas mauflauffähiger internal combustion engines by means of NO x storage catalytic converters available, which ensures over the current state of the art, a higher consumption advantage over the vehicle life.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a method having the features of claim 1.

Das erfindungemäße Verfahren zeichnet aus, dass

  • (a) ein NOx-Speicherkatalysator verwendet wird, der eine obere Temperaturgrenze eines Arbeitstemperaturbereiches von mindestens 520°C aufweist, wobei innerhalb des Arbeitstemperaturbereiches eine NOx-Mindest-Konvertierungsrate von mindestens 80% im zeitlichen Mittel des diskontinuierlichen Magerbetriebs der Verbrennungskraftmaschine vorliegt, und die Verbrennungskraftmaschine bis zu der oberen Temperaturgrenze des NOx-Speicherkatalysators im diskontinuierlichen Magerbetrieb betrieben wird, sofern nicht eine Überschreitung von Last- und/oder Drehzahlschwellen oder eine Entschwefelungsnotwendigkeit einen stöchiometrischen oder fetten Betriebsmodus erfordert,
  • (b) eine Entschwefelungsnotwendigkeit erkannt wird, wenn die mittlere NOx-Mindest-Konvertierungsrate des NOx-Speicherkatalysators im diskontinuierlichen Magerbetrieb von mindestens 80% unterschritten wird, und
  • (c) eine Entschwefelung des NOx-Speicherkatalysators bei einer mindestens einer Mindest-Entschwefelungstemperatur entsprechenden Katalysatortemperatur von mindestens 680°C durchgeführt wird und der NOx-Speicherkatalysator bei der Mindest-Entschwefelungstemperatur und bei einer Abgasbeaufschlagung mit Lambda ≤ 0,99 eine Schwefelaustragsrate von mindestens 0,005 g/s aufweist.
The inventive method is characterized in that
  • (a) using an NO x storage catalyst having an upper temperature limit of a working temperature range of at least 520 ° C, within the operating temperature range having a minimum NO x conversion rate of at least 80% in the time average of the intermittent lean burn operation of the internal combustion engine, and the internal combustion engine is operated up to the upper temperature limit of the NO x storage catalytic converter in the discontinuous lean operation, unless an exceeding of load and / or speed thresholds or a desulfurization necessity requires a stoichiometric or rich operating mode,
  • (b) a desulphurisation requirement is detected when the average NO x minimum conversion rate of the NO x storage catalyst in the batch lean operation is at least 80% less than, and
  • (C) a desulfurization of the NO x storage catalyst is carried out at a minimum desulfurization at least a corresponding catalyst temperature of at least 680 ° C and the NO x storage at the minimum desulfurization temperature and at a exhaust gas emission lambda ≤ 0.99 a sulfur discharge rate of at least 0.005 g / s.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist der gegenüber dem Stand der Technik in Richtung höherer Temperaturen erweiterte Arbeitstemperaturbereich des verwendeten NOx-Speicherkatalysators. Dabei wird im Rahmen der Erfindung der Arbeitstemperaturbereich durch eine NOx-Konvertierungsrate von mindestens 80% definiert, wobei die NOx-Konvertierungsrate einen Anteil von konvertiertem NOx an einer in den Speicherkatalysator einströmenden NOx-Gesamtmenge im zeitlichen Mittel des diskontinuierlichen Mager-/Fettbetriebs mit nachfolgend beschriebenen Versuchsparametern angibt. Herkömmlich zur Abgasnachbehandlung eingesetzte NOx-Speicherkatalysatoren lagern bis zu Katalysatortemperaturen von etwa 450°C Stickoxide mit hohem Wirkungsgrad ein. Die demgegenüber um mindestens 70°C erhöhte obere Temperaturgrenze ermöglicht eine Aufrechterhaltung des verbrauchsgünstigen Magerbetriebs der Verbrennungskraftmaschine bis in hohe Lastbereiche, bei denen herkömmlich bereits in einen stöchiometrischen oder fetten Betriebsmodus umgeschaltet werden muss, um eine Emission unkonvertierter Stickoxide zu vermeiden. Auf diese Weise lässt sich nicht nur der Kraftstoffverbrauch signifikant senken, sondern auch eine Emission an Schadstoffen.An essential feature of the invention is compared to the prior art in the direction of higher temperatures extended operating temperature range of the NO x storage catalytic converter used. In the context of the invention, the working temperature range is defined by a NO x conversion rate of at least 80%, the NO x conversion rate comprising a proportion of converted NO x at a NO x total amount flowing into the storage catalytic converter in the time average of the discontinuous lean / Indicates rich operation with test parameters described below. Conventional used for exhaust aftertreatment NO x storage catalysts store up to catalyst temperatures of about 450 ° C nitrogen oxides with high efficiency. The contrast increased by at least 70 ° C upper temperature limit allows maintenance of the low-consumption lean operation of the internal combustion engine into high load ranges, where conventionally already switched to a stoichiometric or rich operating mode to avoid emission of unconverted nitrogen oxides. In this way not only the fuel consumption can be significantly reduced, but also an emission of pollutants.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung beträgt die obere Temperaturgrenze des Arbeitstemperaturbereiches mindestens 560°C, so dass der diskontinuierliche Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere ein magerer Schichtlademodus, bis zu dieser Temperaturgrenze aufrecht erhalten werden kann. Abhängig von der tatsächlichen Lage der oberen Grenze des Arbeitstemperaturbereiches eines konkreten NOx-Speicherkatalysators kann ein Betrieb der Verbrennungskraftmaschine im Magerbetrieb sogar bis zu einer Katalysatortemperatur von mindestens 600°C erfolgen. Die Katalysatortemperatur wird unter anderem durch eine Verbrennungstemperatur bestimmt, welche wiederum von einer Motorlast abhängt. Je nach Arbeitstemperaturbereich kann der Magerbetrieb des erfindungsgemäßen NOx-Speicherkatalysators bis Fahrzeuggeschwindigkeiten von mindestens 80 km/h, insbesondere von mindestens 100 km/h, vorzugsweise mindestens 120 km/h erfolgen. Da der Magerbetrieb und speziell der geschichtete Magerbetrieb zu einer hohen Verbrauchsminderung führt, wird durch die erfindungsgemäße Erweiterung des zulässigen Magerbetriebsbereiches ein signifikanter Verbrauchsvorteil gegenüber heute üblichen Abgasnachbehandlungsverfahren erzielt.According to a particularly advantageous embodiment, the upper temperature limit of the working temperature range is at least 560 ° C., so that the discontinuous lean operation of the internal combustion engine, in particular a lean stratified charge mode, can be maintained up to this temperature limit. Depending on the actual position of the upper limit of the operating temperature range of a specific NO x storage catalytic converter, operation of the internal combustion engine in lean operation can even take place up to a catalyst temperature of at least 600 ° C. The catalyst temperature is determined inter alia by a combustion temperature, which in turn depends on an engine load. Depending on the operating temperature range, the lean operation of the NO x storage catalytic converter according to the invention can take place up to vehicle speeds of at least 80 km / h, in particular of at least 100 km / h, preferably at least 120 km / h. Since the lean operation and especially the stratified lean operation leads to a high reduction in consumption, a significant consumption advantage over today's conventional exhaust aftertreatment method is achieved by the expansion of the allowable lean operating range according to the invention.

Die erfindungsgemäße Erweiterung des Arbeitstemperaturbereiches kann durch Speichermaterialien realisiert werden, die verglichen mit heute üblichen Speichermaterialien stabilere Nitrate bilden. Hier kommen beispielsweise Oxide und/oder Carbonate der Elemente Kalium, Rubidium, Strontium und/oder Cäsium in Frage. Die Verwendung anderer Verbindungen ist jedoch ebenfalls denkbar, sofern sie in der Lage sind, Stickoxide mit ausreichender Stabilität zu speichern. Derzeitige NOx-Speicher beinhalten üblicherweise Bariumoxid BaO und Bariumcarbonat BaCO3 als Speichermaterial und lagern Stickoxide als Bariumnitrat Ba(NO3)2 ein.The expansion of the working temperature range according to the invention can be realized by storage materials which form more stable nitrates compared to storage materials customary today. Here, for example, oxides and / or carbonates of the elements potassium, rubidium, strontium and / or cesium come into question. However, the use of other compounds is also conceivable, provided they are able to store nitrogen oxides with sufficient stability. Current NO x stores usually contain barium oxide BaO and barium carbonate BaCO 3 as storage material and store nitrogen oxides as barium nitrate Ba (NO 3 ) 2 .

Da die Eigenschaft des NOx-Speicherkatalysators, thermodynamisch stabilere Nitrate zu bilden, in aller Regel auch zur Bildung stabilerer Sulfate führt, ist der erfindungsgemäß verwendete NOx-Speicherkatalysator ferner durch eine gegenüber heutigen Katalysatoren deutlich erhöhte Mindest-Entschwefelungstemperatur von mindestens 680°C gekennzeichnet. Entsprechend spezieller Ausgestaltungen beträgt die Mindest-Entschwefelungstemperatur mindestens 720°C, insbesondere mindestens 750°C. Die Mindest-Entschwefelungstemperatur ist hier durch eine Schwefelaustragsrate von mindestens 0,005 g/s bezogen auf elementaren Schwefel bei einer fetten Abgasatmosphäre mit λ ≤ 0,99 definiert. Die Entschwefelung des NOx-Speicherkatalysators wird bei Katalysatortemperaturen, die den konkreten Mindest-Entschwefelungstemperaturen des Katalysators entsprechen oder überschreiten und bei einer fetten Abgasatmosphäre durchgeführt, das heißt bei mindestens 680°C, insbesondere von mindestens 720°C. Im Falle besonders stabiler Sulfate erfolgt die Entschwefelung bei mindestens 750°C. Bei höheren Temperaturen und einer Abgasbeaufschlagung mit λ ≤ 0,99 nimmt die Schwefelaustragsgeschwindigkeit deutlich zu und erreicht etwa bei 50 bis 70 K oberhalb der Mindest-Entschwefelungstemperatur ein Maximum. Weitere Temperatursteigerungen führen zu allenfalls geringem Anstieg. Es ist bevorzugt vorgesehen, die Entschwefelung bei Katalysatortemperaturen von mindestens 20 K oberhalb der konkreten Mindest-Entschwefelungstemperatur und einer Abgasbeaufschlagung mit Lambda ≤ 0,99 über eine Dauer von mindestens 200 s pro Liter Katalysatorvolumen durchzuführen. Üblich sind ≥ 0,01 g/s Schwefelaustrag als maximale Schwefelaustragsgeschwindigkeit.Since the property of the NO x storage catalytic converter to form thermodynamically more stable nitrates generally leads to the formation of more stable sulfates, the NO x storage catalytic converter used according to the invention is further characterized by a minimum desulfurization temperature of at least 680 ° C., which is significantly higher than today's catalysts , According to specific embodiments, the minimum desulfurization temperature is at least 720 ° C., in particular at least 750 ° C. The minimum desulfurization temperature is here defined by a sulfur discharge rate of at least 0.005 g / s based on elemental sulfur in a rich exhaust gas atmosphere with λ ≤ 0.99. The desulfurization of the NO x storage catalyst is carried out at catalyst temperatures which correspond to or exceed the concrete minimum desulfurization temperatures of the catalyst and in a rich exhaust gas atmosphere, that is at least 680 ° C, in particular at least 720 ° C. In the case of particularly stable sulphates, desulphurisation takes place at at least 750 ° C. At higher temperatures and with exhaust gas loading at λ ≤ 0.99, the sulfur discharge rate increases significantly and reaches a maximum at about 50 to 70 K above the minimum desulphurisation temperature. Further temperature increases lead to at best slight increase. It is preferably provided to carry out the desulfurization at catalyst temperatures of at least 20 K above the specific minimum desulfurization temperature and an exhaust gas charge with lambda ≦ 0.99 over a period of at least 200 s per liter of catalyst volume. The usual values are ≥ 0.01 g / s sulfur output as maximum sulfur discharge rate.

Da die hohen erforderlichen Entschwefelungstemperaturen eine hohe thermische Belastung für das Katalysatorsystem bedeuten, insbesondere auch für einen vorgeschalteten Vorkatalysator, und aktive Maßnahmen zur Anhebung der Katalysatortemperatur zudem mit einem hohen Kraftstoffverbrauch verbunden sind, sollte der NOx-Speicherkatalysator so ausgelegt sein, dass eine aktive Entschwefelung nur in zeitlich großen Abständen notwendig wird. Insbesondere sollten während einer Lebensdauer des NOx-Speicherkatalysators höchstens 100 Entschwefelungen, vorzugsweise höchstens 30 Entschwefelungen, durchgeführt werden, ohne dass und die NOx-Mindest-Konvertierungsrate des NOx-Speicherkatalysators von mindestens 80% im zeitlichen Mittel des diskontinuierlichen Mager-Fett-Betriebs danach nicht unterschritten wird. Besonders vorteilhaft sollte die Katalysatorauslegung derart erfolgen, dass höchstens 20 aktive Entschwefelungen innerhalb der Lebensdauer erforderlich werden. Hierfür sollte der NOx-Speicherkatalysator mindestes 0,5 g Schwefel pro Liter Katalysatorvolumen einspeichern können, ehe ein Einbruch der NOx-Konvertierungsrate eine Entschwefelung erforderlich macht. Durch die hohen Entschwefelungstemperaturen und die bereits erwähnte Neigung zur Bildung stabiler Sulfate der genannten Speichermaterialien, die eine weitgehende oder vollständige Entschwefelung erschweren, sollte die Entschwefelung über eine angenommene Lebensdauer von ≥ 100.000 km so selten wie möglich durchgeführt werden. Besonders günstig ist, wenn auch die Dimensionierung des NOx-Speicherkatalysators so ausgelegt ist, dass frühestens nach 100 l, insbesondere frühestens nach 150 l verbrauchten Kraftstoffs im Magerbetrieb eine Entschwefelungsnotwendigkeit vorliegt.Since the high desulfurization temperatures required imply a high thermal load for the catalyst system, in particular also for an upstream pre-catalyst, and active measures for increasing the catalyst temperature are also associated with a high fuel consumption, the NO x storage catalyst should be designed so that an active desulfurization is necessary only at long intervals. In particular, during a lifetime of the NO x storage catalytic converter, at most 100 desulfurizations, preferably at most 30 desulfurations, should be carried out without and the NO x minimum conversion rate of the NO x storage catalytic converter of at least 80% in the time average of the discontinuous lean / rich Operation is not fallen below. The catalyst design should be particularly advantageous in such a way that at most 20 active desulphurations within the lifetime are required. For this purpose, the NOx storage catalyst should be able to store at least 0.5 g of sulfur per liter of catalyst volume before a collapse of the NO x conversion rate requires desulfurization. Due to the high desulfurization temperatures and the already mentioned tendency to form stable sulfates of said storage materials, which make extensive or complete desulfurization difficult, desulfurization over an assumed lifetime of ≥ 100,000 km should be carried out as rarely as possible. It is particularly favorable, although the dimensioning of the NO x storage catalytic converter is designed so that no desulfurization is required at the earliest after 100 l, in particular at the earliest after 150 l of spent fuel in lean operation.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die dem NOx-Speicherkatalysator vorgeschaltete Verbrennungskraftmaschine mit einem schwefelarmen Kraftstoff betrieben, das heißt mit einem Kraftstoff, der einen Schwefelgehalt von höchstens 30 ppm, insbesondere von höchstens 20 ppm, aufweist. Bevorzugt wird ein maximaler Schwefelgehalt von 10 ppm, der in absehbarer Zukunft aufgrund gesetzlicher Vorgaben gefördert werden darf. Dieser vergleichsweise niedrige Schwefelgehalt – gemäß derzeitigen gesetzlichen Bestimmungen ist ein maximaler Schwefelgehalt von 150 ppm zulässig – führt zu einer sehr langsamen Verschwefelung des NOx-Speicherkatalysators. Infolgedessen und aufgrund der beschriebenen bevorzugten Katalysatorauslegung sind Entschwefelungsmaßnahmen erst nach langen Betriebsphasen notwendig.According to a particularly advantageous embodiment of the method according to the invention, the combustion engine upstream of the NO x storage catalytic converter is operated with a low-sulfur fuel, ie with a fuel having a sulfur content of at most 30 ppm, in particular of at most 20 ppm. Preference is given to a maximum sulfur content of 10 ppm, which may be promoted in the foreseeable future due to legal requirements. This comparatively low sulfur content - according to current legislation, a maximum sulfur content of 150 ppm is permissible - leads to a very slow sulfurization of the NO x storage catalytic converter. As a result, and because of the described preferred catalyst design, desulfurization measures are necessary only after long periods of operation.

Aufgrund des niedrigen Schwefelgehaltes des Kraftstoffes und der damit verbundenen langsamen Verschwefelung des NOx-Speicherkatalysators entsteht eine Entschwefelungsnotwendigkeit erst nach langen Betriebszeiten. Bei einem Schwefelgehalt von maximal 10 ppm ist dies beispielsweise nach 3000 bis 15000 km der Fall, wobei diese Fahrstrecke von einem fahrerspezifischen Einsatz des Fahrzeuges sowie einem durchschnittlichen Kraftstoffverbrauch abhängt. Demgegenüber erfordern die derzeit üblichen Schwefelgehalte Entschwefelungen nach 200 bis 1000 km Fahrstrecke. Die langen Betriebsphasen zwischen zwei Entschwefelungen eines NOx-Speicherkatalysators gemäß der vorliegenden Erfindung führen zu einer sehr starken Erhöhung der Wahrscheinlichkeit, dass während dieser Betriebsphase mindestens eine passive Entschwefelung, bei der ausreichende Katalysatortemperaturen betriebspunktbedingt vorliegen, spontan auftritt. Vorzugsweise wird daher eine aktive Entschwefelung, bei der die Katalysatortemperatur durch gezielte Maßnahmen auf die Mindest-Entschwefelungstemperatur angehoben wird, nur in dem unwahrscheinlichen Fall durchgeführt, dass keine ausreichende Häufigkeit passiver Entschwefelungen vorliegt. Die aktive Entschwefelung wird daher die Ausnahme darstellen, wodurch sich weitere Verbrauchsvorteile ergeben.Due to the low sulfur content of the fuel and the associated slow sulfurization of the NO x storage catalytic converter, a desulfurization requirement only arises after long operating times . With a maximum sulfur content of 10 ppm, this is the case, for example, after 3000 to 15000 km, whereby this route depends on a driver-specific use of the vehicle and average fuel consumption. In contrast, currently available sulfur levels require desulfurization after 200 to 1000 km of driving distance. The long operating phases between two desulphurizations of a NO x storage catalyst according to the present invention lead to a very strong increase in the probability that during this phase of operation at least passive desulfurization, in which sufficient catalyst temperatures are operating point, occurs spontaneously. Preferably, therefore, an active desulfurization, in which the catalyst temperature by targeted measures to the minimum Desulfurization is raised, carried out only in the unlikely event that there is no sufficient frequency of passive desulfurization. The active desulphurization will therefore be the exception, resulting in further consumption benefits.

Eine derzeit übliche Maßnahme zur Anhebung der Katalysatortemperatur zum Zwecke einer aktiven Entschwefelung ist die Spätzündung, die zu einer Erhöhung einer Verbrennungs- und Abgastemperatur führt. Aufgrund der hohen Mindest-Entschwefelungstemperatur des erfindungsgemäßen NOx-Speicherkatalysators ist die Spätzündung jedoch nur bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten geeignet, um ausreichende Temperaturen zu erzielen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden daher neben der oder alternativ zur Spätzündung Maßnahmen angewandt, die zu einer Erhöhung des Schadstoff- und/oder Sauerstoffgehaltes im Abgas führen und durch katalytische Umsetzung an Vor- und/oder NOx-Speicherkatalysator eine Anhebung der Katalysatortemperatur bewirken. Diese Maßnahmen umfassen eine Nacheinspritzung von Kraftstoff vor/während oder nach einem Brennende; eine so genannte Lambdaspreizung, bei der die verschiedenen Zylinder der Verbrennungskraftmaschine mit unterschiedlichen Verbrennungslambdas betrieben werden; eine Kraftstoffeindüsung in die Abgasanlage; einen Fettbetrieb der Verbrennungskraftmaschine und/oder eine Sekundärluftzuführung in die Abgasanlage stromauf des NOx-Speicherkatalysators. Diese Maßnahmen können auch kombiniert miteinander angewandt werden.A currently common measure for increasing the catalyst temperature for the purpose of active desulfurization is the spark ignition, which leads to an increase in combustion and exhaust gas temperature. Due to the high minimum desulfurization temperature of the NO x storage catalytic converter according to the invention, however, the delayed ignition is only suitable at high vehicle speeds in order to achieve sufficient temperatures. According to an advantageous embodiment of the method therefore measures are used in addition to or alternatively to the spark ignition, which lead to an increase of the pollutant and / or oxygen content in the exhaust gas and cause an increase in the catalyst temperature by catalytic conversion of pre- and / or NO x storage , These measures include post-injection of fuel before / during or after a burn; a so-called lambda spread, in which the various cylinders of the internal combustion engine are operated with different combustion lambdas; a fuel injection into the exhaust system; a rich operation of the internal combustion engine and / or a secondary air supply into the exhaust system upstream of the NO x storage catalytic converter. These measures can also be used in combination with each other.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.Further advantageous embodiments of the invention are the subject of the remaining dependent claims.

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

1 schematisch eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasanlage, 1 schematically an internal combustion engine with an exhaust system,

2 eine Temperaturabhängigkeit einer NOx-Konvertierungsrate eines herkömmlichen sowie eines erfindungsgemäßen NOx-Speicherkatalysators und 2 a temperature dependence of a NOx -Konvertierungsrate a conventional and an inventive NO x storage and

3 Abhängigkeit des Kraftstoffverbrauchs vom Schwefelgehalt des Kraftstoffes und von der Temperaturcharakteristik des NOx-Speicherkatalysators gemäß 2. 3 Dependence of the fuel consumption on the sulfur content of the fuel and on the temperature characteristic of the NO x storage catalytic converter according to FIG 2 ,

Bei der in 1 dargestellten Verbrennungskraftmaschine 10 handelt es sich um einen magerlauffähigen, direkteinspritzenden Ottomotor, dem eine insgesamt mit 12 bezeichnete Abgasanlage zugeordnet ist. Der Abgaskanal 14 beherbergt ein Katalysatorsystem, welches einen kleinvolumigen, motornahen Vorkatalysator 16, insbesondere einen 3-Wege-Katalysator, und einen an einer Unterposition angeordneten NOx-Speicherkatalysator 18 umfasst. Im Abgaskanal 14 ist ferner eine Sensorik zur Steuerung der Verbrennungskraftmaschine 10 sowie des Katalysatorsystems 16, 18 angeordnet. Eine stromab der Verbrennungskraftmaschine 10 installierte Lambdasonde 20 misst einen Sauerstoffgehalt des Abgases zur Regelung des der Verbrennungskraftmaschine 10 zugeführten Luft-Kraftstoff-Verhältnisses. Stromab des NOx-Speicherkatalysators 18 ist ein NOx-Sensor 22 angeordnet und dient der Steuerung der NOx-Regenerations- und Entschwefelungsintervalle des NOx-Speicherkatalysators 18. Stromauf des NOx-Speicherkatalysators 18 ist ferner ein Temperatursensor 24 installiert, der eine Abgastemperatur misst und somit Rückschlüsse auf eine Temperatur des NOx-Speicherkatalysators 18 erlaubt. Die aktuelle Katalysatortemperatur lässt sich besonders genau aus einer Temperaturdifferenz zwischen der Abgastemperatur vor und hinter dem NOx-Speicherkatalysator 18 bestimmen. Dafür kann die stromab des NOx-Speicherkatalysators 18 vorliegende Abgastemperatur besonders vorteilhaft aus einem internen Temperatursignal des NOx-Sensors 22 erhalten werden. Alternativ zur Messung der Abgastemperatur kann diese auch rechnerisch in Abhängigkeit ausgewählter Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 10 in bekannter Weise erhalten werden. Ebenso ist alternativ zum NOx-Sensor 22 der Einsatz einer weiteren Lambdasonde denkbar. Die von den Sensoren 20, 22, 24 bereitgestellten Signale werden an ein Motorsteuergerät 26 übermittelt, welches die Signale digitalisiert und weiterverarbeitet. In das Motorsteuergerät 26 ist ferner eine Steuereinheit 28 integriert, in der ein Algorithmus zur Steuerung des Betriebs des NOx-Speicherkatalysators 18 hinterlegt ist. Das Motorsteuergerät 26 und die Steuereinheit 28 steuern verschiedene Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 10 in Abhängigkeit der Signale. Insbesondere werden die Regenerations- und Entschwefelungsintervalle des NOx-Speicherkatalysators 18 gesteuert, indem gemäß dem Algorithmus etwa das Luft-Kraftstoff-Verhältnis der Verbrennungskraftmaschine 10 vorgegeben wird und Maßnahmen zur Anhebung einer Abgas- und/oder Katalysatortemperatur eingeleitet werden.At the in 1 shown internal combustion engine 10 it is a lean running, direct injection gasoline engine, the one with a total of 12 is assigned designated exhaust system. The exhaust duct 14 houses a catalyst system which contains a small volume, close to the engine pre-catalyst 16 , in particular a 3-way catalyst, and an arranged at a sub-position NO x storage catalytic converter 18 includes. In the exhaust duct 14 is also a sensor for controlling the internal combustion engine 10 and the catalyst system 16 . 18 arranged. A downstream of the internal combustion engine 10 installed lambda probe 20 measures an oxygen content of the exhaust gas to control the internal combustion engine 10 supplied air-fuel ratio. Downstream of the NO x storage catalytic converter 18 is a NO x sensor 22 and serves to control the NO x regeneration and desulphurisation intervals of the NO x storage catalytic converter 18 , Upstream of the NO x storage catalytic converter 18 is also a temperature sensor 24 installed, which measures an exhaust gas temperature and thus conclusions about a temperature of the NO x storage catalytic converter 18 allowed. The current catalyst temperature can be particularly accurately from a temperature difference between the exhaust gas temperature in front of and behind the NO x storage catalytic converter 18 determine. This can be done downstream of the NO x storage catalytic converter 18 present exhaust gas temperature particularly advantageous from an internal temperature signal of the NO x sensor 22 to be obtained. As an alternative to measuring the exhaust gas temperature, this can also be calculated as a function of selected operating parameters of the internal combustion engine 10 can be obtained in a known manner. Similarly, as an alternative to the NO x sensor 22 the use of another lambda probe conceivable. The ones from the sensors 20 . 22 . 24 provided signals are sent to an engine control unit 26 which digitizes and processes the signals. In the engine control unit 26 is also a control unit 28 integrated, in which an algorithm for controlling the operation of the NO x storage catalytic converter 18 is deposited. The engine control unit 26 and the control unit 28 control various operating parameters of the internal combustion engine 10 depending on the signals. In particular, the regeneration and desulfurization intervals of the NO x storage catalyst become 18 controlled by, according to the algorithm about the air-fuel ratio of the internal combustion engine 10 is specified and measures to increase an exhaust gas and / or catalyst temperature can be initiated.

Der mit 30 bezeichnete Graph in 2 stellt die Temperaturabhängigkeit einer NOx-Konvertierungsrate eines Speicherkatalysators gemäß dem Stand der Technik dar entsprechend dem Aufbau nach 1. Aufgetragen ist die NOx-Konvertierungsrate als ein prozentuales Verhältnis einer konvertierten NOx-Menge zu einer während eines Messzeitraumes in den Speicherkatalysator einströmenden NOx-Menge in Abhängigkeit von der Temperatur des Speicherkatalysators. Für die Messung wurde ein 3-Wege-Vorkatalysator mit einem Edelmetallgehalt von 1,4 bis 7,1 g/dm3 (40 bis 200 g/ft3) und einem Edelmetallverhältnis von 0 bis 4 Anteile Platin Pt auf 0 bis 15 Anteile Palladium Pd auf 0 bis 3 Anteile Rhodium Rh verwendet. Das Volumen des Vorkatalysators 16 entsprach 15 bis 60% eines Volumens des NOx-Speicherkatalysators 18. Eine Abgaslaufstrecke zwischen Vorkatalysator und Speicherkatalysator betrug weniger als 1500 mm. Der NOx-Speicherkatalysator wies als speicheraktives Material eine Mischung aus Bariumoxid BaO und Bariumcarbonat BaCO3 auf. Eine Raumgeschwindigkeit des Abgases im Speicherkatalysator betrug 10.000 bis 30.000/h. Die NOx-Konvertierungsrate wurde im typischen diskontinuierlichen Fett-Mager-Intervallbetrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 gemessen und gemittelt. Dabei wurde für die Magerintervalle, die jeweils 50 bis 60 s andauerten, ein Verbrennungslambda von 1,8 bis 2,5 vorgegeben. Dies entsprach einem Anteil unverbrannter Kohlenwasserstoffe HC im Rohabgas von 2.000 bis 4.000 ppm, einem Anteil von Kohlenmonoxid CO von 2.000 bis 3.000 ppm sowie einem NOx-Anteil von 200 bis 500 ppm. Während der 4 bis 8 s andauernden Fettintervalle wurde ein Verbrennungslambda von 0,75 bis 0,85 vorgegeben, wobei der HC-Anteil 5.000 bis 15.000 ppm, der CO-Anteil 40.000 bis 60.000 ppm und der NOx-Anteil 500 bis 1.500 ppm betrug. Die Katalysatortemperatur des NOx-Speicherkatalysators wurde derweil mittels einer Temperiereinrichtung geregelt. Das für diesen Speicherkatalysator gemessene Temperaturprofil 30 in 2 zeigt ein typisches Arbeitstemperaturfenster mit einer NOx-Konvertierungsrate von mindestens 80%, das durch eine untere Temperaturgrenze TL' bei etwa 200°C und durch eine obere Temperaturgrenze TH' bei etwa 450°C begrenzt wird. Erreicht dieser herkömmliche Speicherkatalysator 18 die obere Temperaturgrenze TH' seines Arbeitsbereiches im bestimmungsgemäßen Betrieb aufgrund einer betriebspunktabhängigen Motorlast – dies ist typischerweise bei Fahrzeuggeschwindigkeiten oberhalb von 70 km/h der Fall – so muss der Magerbetrieb und gegebenenfalls der Schichtlademodus unterdrückt werden und der Betrieb der Verbrennungskraftmaschine im stöchiometrischen oder fetten Betrieb (Homogen betrieb) fortgesetzt werden. Die im stöchiometrischen Betrieb vorliegende Abgaszusammensetzung gewährleistet dann eine praktisch vollständige NOx-Konvertierung am Vorkatalysator. Die Unterdrückung des Magerbetriebs muss bei Erreichen der oberen Temperaturgrenze TH' auch dann erfolgen, wenn die Motorlast selbst noch keine Erhöhung des Kraftstoffanteils erforderlich macht.The one with 30 designated graph in 2 represents the temperature dependence of a NO x -Konvertierungsrate a storage catalyst according to the prior art by corresponding to the structure 1 , Plotted is the NO x -Konvertierungsrate as a percentage ratio of a converted amount of NOx in a flowing into the storage catalytic converter during a measurement period amount of NOx as a function of the temperature of the storage catalyst. For the measurement, a 3-way pre-catalyst with a Precious metal content of 1.4 to 7.1 g / dm 3 (40 to 200 g / ft 3 ) and a precious metal ratio of 0 to 4 parts platinum Pt to 0 to 15 parts palladium Pd to 0 to 3 parts rhodium Rh used. The volume of the precatalyst 16 corresponded to 15 to 60% of a volume of the NO x storage catalyst 18 , An exhaust gas flow path between the precatalyst and the storage catalyst was less than 1500 mm. The NO x storage catalyst had a mixture of barium oxide BaO and barium carbonate BaCO 3 as the storage-active material. A space velocity of the exhaust gas in the storage catalyst was 10,000 to 30,000 / h. The NO x conversion rate became the typical discontinuous rich-lean interval operation of the internal combustion engine 10 measured and averaged. For the lean intervals, which lasted 50 to 60 s, a combustion lambda of 1.8 to 2.5 was specified. This corresponded to a proportion of unburned hydrocarbons HC in the raw exhaust gas of 2,000 to 4,000 ppm, a proportion of carbon monoxide CO of 2,000 to 3,000 ppm and an NO x content of 200 to 500 ppm. During the 4 to 8 second fat intervals, a combustion lambda of 0.75 to 0.85 was specified, the HC content being 5,000 to 15,000 ppm, the CO content 40,000 to 60,000 ppm, and the NO x content 500 to 1,500 ppm , The catalyst temperature of the NO x storage catalyst was meanwhile controlled by means of a tempering device. The temperature profile measured for this storage catalytic converter 30 in 2 shows a typical operating temperature window with a NO x conversion rate of at least 80%, which is limited by a lower temperature limit T L 'at about 200 ° C and by an upper temperature limit T H ' at about 450 ° C. Achieved this conventional storage catalyst 18 the upper temperature limit T H 'of its working range in normal operation due to an operating point-dependent engine load - this is typically the case at vehicle speeds above 70 km / h - the lean operation and optionally the stratified mode must be suppressed and the operation of the internal combustion engine in stoichiometric or rich operation (Homogeneous operation). The present in stoichiometric operation exhaust gas composition then ensures a virtually complete NO x conversion at the primary catalyst. The suppression of the lean operation must take place when the upper temperature limit T H 'is reached, even if the engine load itself does not require an increase in the fuel fraction.

Diesem Stand der Technik ist ein hochgerechneter Temperaturverlauf 32 einer NOx-Konvertierungsrate eines NOx-Speicherkatalysators gemäß der vorliegenden Erfindung gegenübergestellt, der statt Barium beispielsweise leichtere Alkali- und/oder Erdalkalimetalle in Form ihrer Oxide und Carbonate als Speichermaterial enthält. Ein derartiger NOx-Speicherkatalysator ist in der Lage, stabilere Nitrate zu bilden, so dass sein Arbeitstemperaturbereich in Richtung höherer Temperaturen um mindestens 50 K gegenüber dem herkömmlichen Speicherkatalysator erweitert ist. Im dargestellten Beispiel liegt die obere Temperaturgrenze TH des erfindungsgemäßen NOx-Speicherkatalysators bei zirka 560°C. Dies entspricht etwa einem zumindest Kalium enthaltenen Speichermaterial. Dieses Mehr des Arbeitstemperaturbereiches kann folglich genutzt werden, um den Mager- und/oder Schichtbetrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 über höhere Lastbereiche aufrechtzuerhalten. So müsste gemäß dem dargestellten Beispiel eine Unterdrückung des Magerbetriebes erst bei Fahrzeuggeschwindigkeiten etwa oberhalb von 120 km/h erfolgen.This state of the art is an extrapolated temperature profile 32 a NO x conversion rate of a NO x storage catalyst according to the present invention is compared, for example, instead of barium lighter alkali and / or alkaline earth metals in the form of their oxides and carbonates as a storage material. Such an NO x storage catalyst is able to form more stable nitrates, so that its operating temperature range is extended in the direction of higher temperatures by at least 50 K compared to the conventional storage catalyst. In the illustrated example, the upper temperature limit T H of the NOx storage catalyst according to the invention is approximately 560 ° C. This corresponds approximately to a storage material containing at least potassium. This more of the working temperature range can therefore be used to the lean and / or shift operation of the internal combustion engine 10 maintain over higher load ranges. Thus, according to the illustrated example, a suppression of the lean operation would have to take place only at vehicle speeds of approximately above 120 km / h.

Die Fähigkeit, stabilere Nitrate zu bilden, führt zu der unerwünschten Nebenwirkung, dass die von Zeit zu Zeit notwendigen Entschwefelungen bei höheren Katalysatortemperaturen durchgeführt werden müssen, da auch die eingelagerten Sulfate eine entsprechend höhere Stabilität aufweisen. Die in der Darstellung schraffierten Bereiche 34 und 36 kennzeichnen jeweils die Entschwefelungstemperaturbereiche für einen NOx-Speicherkatalysator gemäß dem Stand der Technik (34) beziehungsweise einem erfindungsgemäßen Speicherkatalysator (36). Die Entschwefelungstemperaturbereiche 34, 36 werden jeweils begrenzt von einer Mindest-Entschwefelungstemperatur Tmin', Tmin oberhalb derer eine Schwefelaustragsrate von mindestens 0,005 g/s sowie die Fähigkeit des Speicherkatalysators zum zumindest nahezu vollständigen Austrag des Schwefels, das heißt mindestens 80%, vorliegt. Für den herkömmlichen Speicherkatalysator liegt Tmin' bei zirka 630°C, während der erfindungsgemäße NOx-Speicherkatalysator eine Mindest-Entschwefelungstemperatur Tmin von 680°C aufweist. Die Entschwefelungstemperaturbereiche 34, 36 sind nach oben durch eine Zersetzungstemperatur des Speichermaterials begrenzt, die nicht überschritten werden sollte. Wie bereits erläutert, erfordern die hohen Entschwefelungstemperaturen des erfindungsgemäßen NOx-Speicherkatalysators teilweise sehr drastische Maßnahmen zur aktiven Temperaturanhebung. Diese stellen für das gesamte Katalysatorsystem, insbesondere für den Vorkatalysator, eine Lebensdauer mindernde Belastung dar. Aus diesem Grunde ist vorgesehen, den NOx-Speicherkatalysator gemäß der Erfindung unter Verwendung von schwefelarmem Kraftstoff einzusetzen. Auf diese Weise wird die Verschwefelung des Katalysators derart verlangsamt, dass die Abstände zwischen zwei aktiven Entschwefelungen so groß werden, dass in dieser Zeit eine passive, betriebsbedingte Entschwefelung mit hoher Wahrscheinlichkeit auftritt. Folglich wird die aktive Entschwefelung des erfindungsgemäßen NOx-Speicherkatalysators 18 die Ausnahme darstellen und nur notwendig sein, wenn ein Fahrzeug praktisch niemals im Volllastbereich eingesetzt wird.The ability to form more stable nitrates leads to the undesirable side effect that the necessary from time to time desulfurization must be carried out at higher catalyst temperatures, since the stored sulfates have a correspondingly higher stability. The hatched areas in the illustration 34 and 36 respectively designate the desulfurization temperature ranges for a NO x storage catalyst according to the prior art ( 34 ) or a storage catalyst according to the invention ( 36 ). The desulfurization temperature ranges 34 . 36 are each limited by a minimum desulfurizing temperature T min ', T min above which a Schwefelaustragsrate of at least 0.005 g / s and the ability of the storage catalyst for at least almost complete discharge of sulfur, that is at least 80%, is present. For the conventional storage catalyst, T min 'is approximately 630 ° C., while the NO x storage catalyst according to the invention has a minimum desulfurization temperature T min of 680 ° C. The desulfurization temperature ranges 34 . 36 are limited to the top by a decomposition temperature of the storage material, which should not be exceeded. As already explained, the high desulfurization temperatures of the NO x storage catalytic converter according to the invention sometimes require very drastic measures for the active temperature increase. These represent for the entire catalyst system, in particular for the precatalyst, a life-reducing load. For this reason, it is provided to use the NO x storage catalyst according to the invention using low-sulfur fuel. In this way, the sulfurization of the catalyst is slowed down so that the distances between two active desulfurizations are so great that during this time a passive, operational desulfurization occurs with high probability. Consequently, the active desulfurization of the NO x storage catalyst according to the invention 18 the exception and only necessary if a vehicle is practically never used in full load range.

In 3 sind näherungsweise die realisierbaren Kraftstoffverbrauchsänderungen ΔVKS in Abhängigkeit vom Schwefelgehalt des Kraftstoffes und dem Arbeitstemperaturfenster des NOx-Speicherkatalysators 18 dargestellt. Als Referenz – dargestellt in Balken 40 – wurde der Kraftstoffverbrauch im europäischen Fahrzyklus NEFZ mit einem NOx-Speicherkatalysator gemäß Stand der Technik und einem Kraftstoff mit dem derzeit gesetzlich maximal zulässigen Schwefelgehalt von 150 ppm S zugrunde gelegt. Balken 42 und 44 zeigen näherungsweise die Verbrauchsminderung ΔVKS beim Einsatz von Kraftstoffen mit geringeren Schwefelgehalten von 50 ppm S (Balken 42) beziehungsweise von < 10 ppm S (Balken 44). Aufgrund der wegen des niedrigeren Schwefelgehaltes geringeren Entschwefelungshäufigkeit werden Verbrauchseinsparungen ΔVKS von etwa 1,5% (Balken 42) beziehungsweise von 2,4% (Balken 44) erzielt. Wird bei schwefelfreiem Kraftstoff mit Schwefelgehalten unter 10 ppm das erfindungsgemäße Verfahren und ein entsprechender NOx-Speicherkatalysator eingesetzt, so kann aufgrund des breiteren NOx-Arbeitstemperaturfensters und dem daraus resultierenden höheren Mageranteils im Fahrzyklus ein zusätzlicher Verbrauchsvorteil von etwa 2,5% gemäß Balken 46 realisiert werden.In 3 are approximately the realizable fuel consumption changes .DELTA.V KS depending on the sulfur content of the fuel and the operating temperature window of the NO x storage catalytic converter 18 shown. For reference - shown in bars 40 - The fuel consumption in the European driving cycle NEDC with a NO x storage catalytic converter according to the prior art and a fuel with the current maximum statutory sulfur content of 150 ppm S was based. bar 42 and 44 show approximately the consumption reduction ΔV KS when using fuels with lower sulfur contents of 50 ppm S (bar 42 ) or <10 ppm S (bars 44 ). Due to the lower sulfur content due to the lower sulfur content, consumption savings ΔV KS of about 1.5% (bar 42 ) or 2.4% (bars 44 ) achieved. If the process according to the invention and a corresponding NO x storage catalyst is used for sulfur-free fuel with sulfur contents of less than 10 ppm, an additional consumption advantage of about 2.5% according to bars may result due to the broader NO x working temperature window and the resulting higher lean fraction in the driving cycle 46 will be realized.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
VerbrennungskraftmaschineInternal combustion engine
1212
Abgasanlageexhaust system
1414
Abgaskanalexhaust duct
1616
Vorkatalysatorprecatalyzer
1818
NOx-SpeicherkatalysatorNO x storage catalyst
2020
Lambdasondelambda probe
2222
NOx-SensorNO x sensor
2424
Temperatursensortemperature sensor
2626
MotorsteuergerätEngine control unit
2828
Steuereinheitcontrol unit
3030
Temperaturverlauf NOx-Konvertierungsrate gemäß Stand der TechnikTemperature curve NO x conversion rate according to the prior art
3232
Temperaturverlauf NOx-Konvertierungsrate gemäß ErfindungTemperature curve NO x conversion rate according to the invention
3434
Entschwefelungstemperaturbereich gemäß Stand der TechnikDesulfurization temperature range according to the prior art
3636
Entschwefefungstemperaturbereich gemäß ErfindungEntschwefefungstemperaturbereich according to the invention
4040
Kraftstoffverbrauchsänderung bei NOx-Speicherkatalysator gemäß Stand der Technik und 150 ppm Schwefelgehalt im KraftstoffFuel consumption change in NO x storage catalytic converter according to the prior art and 150 ppm sulfur content in the fuel
4242
Kraftstoffverbrauchsänderung bei NOx-Speicherkatalysator gemäß St. d. T. und 50 ppm SchwefelgehaltFuel consumption change with NO x storage catalytic converter according to St. d. T. and 50 ppm sulfur content
4444
Kraftstoffverbrauchsänderung bei NOx-Speicherkatalysator gemäß St. d. T. und ≤ 10 ppm SchwefelgehaltFuel consumption change with NO x storage catalytic converter according to St. d. T. and ≤ 10 ppm sulfur content
4646
Kraftstoffverbrauchsänderung gemäß Erfindung und ≤ 10 ppm SchwefelgehaltFuel consumption change according to the invention and ≤ 10 ppm sulfur content
TH T H
obere Temperaturgrenze gemäß Erfindungupper temperature limit according to the invention
TH'T H '
obere Temperaturgrenze gemäß Stand der Technikupper temperature limit according to the prior art
TKat T cat
Temperatur des NOx-SpeicherkatalysatorsTemperature of the NO x storage catalytic converter
TL T L
untere Temperaturgrenze gemäß Erfindunglower temperature limit according to the invention
TL'T L '
untere Temperaturgrenze gemäß Stand der Techniklower temperature limit according to the prior art
Tmin T min
Mindest-Entschwefelungstemperatur gemäß ErfindungMinimum desulfurization temperature according to the invention
Tmin'T min '
Mindest-Entschwefelungstemperatur gemäß Stand der TechnikMinimum desulfurization temperature according to the prior art
ΔVKS ΔV KS
Kraftstoffverbrauchsänderung bezogen auf IST-ZustandFuel consumption change related to actual state

Claims (14)

Verfahren zur Nachbehandlung eines Abgases einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine (10), wobei mindestens ein NOx-Speicherkatalysator (18) in einen Abgaskanal (14) der Verbrennungskraftmaschine (10) angeordnet wird und die Verbrennungskraftmaschine (10) während eines Magerbetriebs zum Zwecke einer NOx-Regeneration des NOx-Speicherkatalysators (18) diskontinuierlich in Mager-Fett-Lambdaintervallen betrieben wird, wobei (a) ein NOx-Speicherkatalysator (18) verwendet wird, der zumindest ein Speichermaterial enthält, das geeignet ist, Stickoxide in Form eines derart stabilen Nitrats zu binden, dass der NOx-Speicherkatalysator (18) eine obere Temperaturgrenze (TH) eines Arbeitstemperaturbereiches von mindestens 520°C aufweist, wobei innerhalb des Arbeitstemperaturbereiches eine NOx-Mindest-Konvertierungsrate (KRmin) von mindestens 80% im zeitlichen Mittel des diskontinuierlichen Magerbetriebs der Verbrennungskraftmaschine (10) vorliegt, und die Verbrennungskraftmaschine (10) bis zu der oberen Temperaturgrenze (TH) des NOx-Speicherkatalysators (18) von mindestens 520°C im diskontinuierlichen Magerbetrieb betrieben wird, sofern nicht eine Überschreitung von Last- und/oder Drehzahlschwellen oder eine Entschwefelungsnotwendigkeit einen stöchiometrischen oder fetten Betriebsmodus erfordert, (b) eine Entschwefelungsnotwendigkeit erkannt wird, wenn die mittlere NOx-Mindest-Konvertierungsrate (KRmin) des NOx-Speicherkatalysators (18) im diskontinuierlichen Magerbetrieb von mindestens 80% unterschritten wird, und (c) eine Entschwefelung des NOx-Speicherkatalysators (18) bei einer mindestens einer Mindest-Entschwefelungstemperatur (Tmin) entsprechenden Katalysatortemperatur (TKat) von mindestens 680°C und einer fetten Abgasatmosphäre durchgeführt wird und der NOx-Speicherkatalysator (18) bei der Mindest-Entschwefelungstemperatur (Tmin) und bei einer Abgasbeaufschlagung mit Lambda ≤ 0,99 eine Schwefelaustragsrate von mindestens 0,005 g/s aufweist.Process for the aftertreatment of an exhaust gas of a lean-running internal combustion engine ( 10 ), wherein at least one NO x storage catalytic converter ( 18 ) in an exhaust duct ( 14 ) of the internal combustion engine ( 10 ) is arranged and the internal combustion engine ( 10 ) during a lean operation for the purpose of NO x regeneration of the NO x storage catalyst ( 18 ) is operated intermittently in lean-fat lambda intervals, wherein (a) a NO x storage catalyst ( 18 ) containing at least one storage material suitable for binding nitrogen oxides in the form of such a stable nitrate that the NO x storage catalyst ( 18 ) has an upper temperature limit (T H ) of a working temperature range of at least 520 ° C, wherein within the operating temperature range a minimum NO x conversion rate (KR min ) of at least 80% in the time average of the discontinuous lean operation of the internal combustion engine ( 10 ), and the internal combustion engine ( 10 ) up to the upper temperature limit (T H ) of the NO x storage catalytic converter ( 18 ) of at least 520 ° C in discontinuous lean operation, unless exceeding load and / or speed thresholds or a desulphurisation need requires a stoichiometric or rich mode of operation, (b) a desulphurisation need is recognized when the average NO x minimum conversion rate (KR min ) of the NO x storage catalyst ( 18 ) in discontinuous lean operation of at least 80%, and (c) desulfurization of the NO x storage catalyst ( 18 ) is carried out at a minimum of a minimum desulfurization temperature (T min ) corresponding catalyst temperature (T Kat ) of at least 680 ° C and a rich exhaust gas atmosphere and the NO x storage catalytic converter ( 18 ) at the minimum desulfurization temperature (T min ) and at a Exhaust gas with lambda ≤ 0.99 has a sulfur output of at least 0.005 g / s. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein NOx-Speicherkatalysator (18) verwendet wird, der eine obere Temperaturgrenze (TH) des Arbeitstemperaturbereiches von mindestens 560°C, insbesondere von mindestens 600°C, aufweist und der diskontinuierliche Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine (10), insbesondere ein magerer Schichtlademodus, bis zu der oberen Temperaturgrenze (TH) des NOx-Speicherkatalysators (18) erfolgt.Method according to claim 1, characterized in that a NO x storage catalytic converter ( 18 ) is used, which has an upper temperature limit (T H ) of the working temperature range of at least 560 ° C, in particular of at least 600 ° C, and the discontinuous lean operation of the internal combustion engine ( 10 ), in particular a lean stratified charge mode, up to the upper temperature limit (T H ) of the NO x storage catalytic converter ( 18 ) he follows. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der diskontinuierliche Magerbetrieb bis zu einer Fahrzeuggeschwindigkeit von mindestens 80 km/h erfolgt.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the discontinuous lean operation takes place up to a vehicle speed of at least 80 km / h. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der diskontinuierliche Magerbetrieb bis zu einer Fahrzeuggeschwindigkeit von mindestens 100 km/h, insbesondere mindestens 120 km/h, erfolgt.A method according to claim 3, characterized in that the discontinuous lean operation up to a vehicle speed of at least 100 km / h, in particular at least 120 km / h takes place. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Speicherkatalysator (18) eine Mindest-Entschwefelungstemperatur (Tmin), bei der eine Schwefelaustragsrate von mindestens 0,005 g/s bei einer Abgasbeaufschlagung mit Lambda ≤ 0,99 erzielt wird, von mindestens 700°C, insbesondere von mindestens 720°C, aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the NO x storage catalytic converter ( 18 ) a minimum desulfurization temperature (T min ) at which a Schwefelaustragsrate of at least 0.005 g / s is achieved at an exhaust emission with lambda ≤ 0.99, of at least 700 ° C, in particular of at least 720 ° C. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entschwefelung bei einer Entschwefelungstemperatur von mindestens 20 K oberhalb der Mindest-Entschwefelungstemperatur (Tmin) und einer Abgasbeaufschlagung mit Lambda ≤ 0,99 über eine Dauer von mindestens 200 s pro Liter Katalysatorvolumen durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the desulfurization at a desulfurization temperature of at least 20 K above the minimum desulfurization temperature (T min ) and an exhaust gas with lambda ≤ 0.99 over a period of at least 200 s per liter of catalyst volume is performed , Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebes des NOx-Speicherkatalysators (18) höchstens 100 Entschwefelungen, insbesondere höchstens 30 Entschwefelungen, durchgeführt werden und die NOx-Mindest-Konvertierungsrate (KRmin) des NOx-Speicherkatalysators (18) von mindestens 80% im zeitlichen Mittel des diskontinuierlichen Mager-Fett-Betriebs danach nicht unterschreitet.Method according to one of the preceding claims, characterized in that during the operation of the NO x storage catalytic converter ( 18 ) at most 100 desulphurizations, in particular at most 30 desulphurizations, and the NO x minimum conversion rate (KR min ) of the NO x storage catalytic converter ( 18 ) of at least 80% in the time average of the discontinuous lean-fat operation is not below. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bis zum Unterschreiten der NOx-Mindest-Konvertierungsrate (KRmin) im diskontinuierlichen Magerbetrieb der Verbrennungskraftmaschine (10) mindestens 0,5 g Schwefel pro Liter Katalysatorvolumen in den NOx-Speicherkatalysator (18) einlagerbar sind.Method according to one of the preceding claims, characterized in that up to falling below the NO x -minimum conversion rate (KR min ) in the discontinuous lean operation of the internal combustion engine ( 10 ) at least 0.5 g of sulfur per liter of catalyst volume into the NO x storage catalyst ( 18 ) are storable. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entschwefelungsnotwendigkeit frühestens nach einem verbrauchten Kraftstoffvolumen im diskontinuierlichen Mager-Fett-Betrieb von mindestens 100 l, insbesondere von 150 l, erkannt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the desulfurization need at the earliest after a consumed fuel volume in the discontinuous lean-rich operation of at least 100 l, in particular of 150 l, is detected. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem NOx-Speicherkatalysator (18) vorgeschaltete Verbrennungskraftmaschine (10) mit einem Kraftstoff betrieben wird, der einen Schwefelgehalt von höchstens 30 ppm aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the NO x storage catalytic converter ( 18 ) upstream internal combustion engine ( 10 ) is operated with a fuel having a sulfur content of at most 30 ppm. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwefelgehalt des Kraftstoffes höchstens 20 ppm, insbesondere höchstens 10 ppm, beträgt.A method according to claim 10, characterized in that the sulfur content of the fuel is at most 20 ppm, in particular at most 10 ppm. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Speichermaterial des NOx-Speicherkatalysators (18) ausgewählt ist aus der Alkali- und/oder der Erdalkaligruppe, insbesondere aus Oxiden und/oder Carbonaten von diesen, insbesondere aus den Elementen Kalium, Rubidium, Strontium oder Cäsium.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one storage material of the NO x storage catalytic converter ( 18 ) is selected from the alkali and / or alkaline earth group, in particular from oxides and / or carbonates of these, in particular from the elements potassium, rubidium, strontium or cesium. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktive Entschwefelung, bei der die Katalysatortemperatur (TKat) durch gezielte Maßnahmen auf die Mindest-Entschwefelungstemperatur (Tmin) angehoben wird, nur dann durchgeführt wird, wenn keine ausreichende Häufigkeit von passiven Entschwefelungen, bei welcher die Katalysatortemperatur aufgrund einer ausreichenden Motorlast die Mindest-Entschwefelungstemperatur (Tmin) erreicht, vorliegt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that an active desulfurization, in which the catalyst temperature (T Kat ) is raised by targeted measures to the minimum desulfurization temperature (T min ), is only performed if no sufficient frequency of passive desulfurization in which the catalyst temperature reaches the minimum desulfurizing temperature (T min ) due to a sufficient engine load. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßnahmen zur Anhebung der Katalysatortemperatur (TKat) eine Spätzündung; eine Nacheinspritzung von Kraftstoff vor/während oder nach einem Brennende; eine Lambdaspreizung; eine Kraftstoffeindüsung in die Abgasanlage (12); einen Fettbetrieb der Verbrennungskraftmaschine (10) und/oder eine Sekundärluftzuführung in die Abgasanlage (12) stromauf des NOx-Speicherkatalysators (18) umfassen.A method according to claim 13, characterized in that the measures for raising the catalyst temperature (T cat ) a spark ignition; a post-injection of fuel before / during or after a combustion; a lambda stimulation; a fuel injection into the exhaust system ( 12 ); a rich operation of the internal combustion engine ( 10 ) and / or a secondary air feed into the exhaust system ( 12 ) upstream of the NO x storage catalytic converter ( 18 ).
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