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
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).
Gemäß
In
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
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.
- (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:
Bei der in
Der mit
Diesem Stand der Technik ist ein hochgerechneter Temperaturverlauf
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
In
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
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