DE10164931B4

DE10164931B4 - Verfahren zur Desulfatisierung eines Stickoxid-Speicherkatalysators und Anwendung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10164931B4
Application number: DE10164931A
Authority: DE
Inventors: Holger Dipl.-Ing. 70197 Adler; Klaus Dipl.-Ing. 89429 Allmendinger; Dirk Dipl.-Ing.(TH) 76646 Becker; Oliver Dipl.-Ing. 75181 Erlenmayer; Andreas 73630 Hasert; Hans-Hubert Dipl.-Ing. 73274 Hemberger; Anton Dipl.-Ing. 70374 Kerckhoff; Bernd Dr.rer.nat. 73770 Krutzsch; Stefan Dr.rer.nat. 71706 Kurze; Michael Dipl.-Ing. 70734 Lenz; Thomas Dipl.-Ing. 70736 Liebscher; Ulrich Dipl.-Ing. 70771 Merten; Andreas Dipl.-Ing. 73734 Roll; Norbert Dipl.-Ing. 71144 Ruzicka; Michel Dr.-Ing. 70619 Weibel
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-05-31
Filing date: 2001-05-31
Publication date: 2011-07-07
Anticipated expiration: 2021-06-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Desulfatisierung eines Stickoxid-Speicherkatalysators (3), der in der Abgasreinigungsanlage einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere eines in Kraftfahrzeugen verwendeten Dieselmotors, gemeinsam mit einem Partikelfilter (4) angeordnet ist. Erfindungsgemäß erfolgt die Desulfatisierung, indem der Stickoxid-Speicherkatalysator (3) über eine vorbestimmte Desulfatisierungs-Mindesttemperatur gebracht wird und ein mehrfach wiederholter Wechsel zwischen oxidierender und reduzierender Abgaszusammensetzung durchgeführt wird, wobei die Desulfatisierung im Anschluss an eine Regeneration des Partikelfilters (4) durchgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Desulfatisierung eines Stickoxid-Speicherkatalysators, der in der Abgasreinigungsanlage einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines in Kraftfahrzeugen verwendeten Dieselmotors, angeordnet ist, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bzw. 2. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anwendung des Verfahrens.
Abgasreinigungsanlagen mit Stickoxid-Speicherkatalysatoren werden verschiedentlich zur Entfernung von Stickoxiden aus dem Abgas von primär mager betriebenen Brennkraftmaschinen eingesetzt. Dabei entzieht das in der Speicherkomponente des Katalysatormaterials beispielsweise vorhandene Barium-Carbonat bei magerem Betrieb der Brennkraftmaschine dem dann oxidierenden Abgas Stickoxid (NOx) unter Bildung von festem Barium-Nitrat. Aufgrund der damit verbundenen Materialerschöpfung wird von Zeit zu Zeit eine Regeneration des NOx-Speicherkatalysators notwendig. Die so genannte Nitrat-Regeneration geschieht dadurch, dass die Brennkraftmaschine für eine gewisse Zeit fett betrieben wird. Das in dem resultierenden reduktionsmittelhaltigen Abgas instabile Barium-Nitrat zersetzt sich hierbei wieder unter Rückbildung von Barium-Carbonat und unter Freisetzung von NOx. Letzteres wird von den dann im Abgas vorhandenen Reduktionsmitteln (H2, CO und HC) an der auf dem NOx-Speicherkatalysator aufgebrachten Edelmetallkomponente überwiegend zu unschädlichem Stickstoff (N2) reduziert.
Bei Verwendung von schwefelhaltigem Kraftstoff enthält das Abgas Schwefeloxide, welche von der Speicherkomponente unter Bildung von stabilen Sulfaten aufgenommen wird, was eine fortschreitende Vergiftung des Stickoxid-Speicherkatalysators zur Folge hat. Durch eine auch als Desulfatisierung bezeichnete Regenerationsprozedur lässt sich ein solcherart vergifteter Stickoxid-Speicherkatalysator wieder regenerieren. Meist wird die Desulfatisierung veranlasst, wenn die Schwefelbeladung einen für die Wirksamkeit des Stickoxid-Speicherkatalysators nicht mehr tolerierbaren Maximalwert überschritten hat. Die Desulfatsierung erfordert jedoch üblicherweise eine Aufheizung des Stickoxid-Speicherkatalysators bzw. des Abgases über eine Desulfatisierungs-Mindesttemperatur von z. B. 550°C und die zumindest zeitweise Einstellung einer insgesamt reduzierenden Abgaszusammensetzung. Sowohl die Aufheizung als auch die Einstellung der reduzierenden Abgaszusammensetzung bedingen einen Kraftstoffmehrverbrauch, der möglichst gering gehalten werden sollte.
Insbesondere bei Dieselmotoren ist neben der Entfernung von Stickoxiden auch die Entfernung von Partikeln aus dem Abgas von Bedeutung. Zu diesem Zweck werden verschiedentlich Partikelfilter in der Abgasreinigungsanlage angeordnet. Diese Partikelfilter bedürfen üblicherweise ebenfalls von Zeit zu Zeit einer Regeneration, um sie von abgelagerten Partikeln, welche typischerweise als Rußpartikel vorliegen, zu befreien. Zur Regeneration der Partikelfilter ist ebenfalls die Einstellung einer erhöhten Temperatur von z. B. über 450°C des Abgases bzw. des Partikelfilters notwendig. Bei oxidierendem Abgas werden dabei die Rußablagerungen abgebrannt, wodurch das Partikelfilter regeneriert wird. Sind in der Abgasreinigungsanlage der entsprechenden Brennkraftmaschine sowohl ein Stickoxid-Speicherkatalysator als auch ein Partikelfilter vorhanden, so kann der Kraftstoffverbrauch zur Regeneration der genannten Bauteile z. B. dadurch vermindert werden, dass die für die Durchführung der Desulfatisierung des Stickoxid-Speicherkatalysators notwendige Desulfatisierungstemperatur zumindest teilweise durch die Regeneration Partikelfilters erzeugt wird. Es ist allerdings zu beachten, dass die entsprechenden Regenerationen, insbesondere die Desulfatisierung, einerseits nicht bei allen Fahrzuständen der jeweiligen Brennkraftmaschine gleichermaßen unproblematisch durchführbar sind und andererseits auch nicht häufiger als nötig durchgeführt werden sollten. Außerdem sollte der durch die Regenerationen verursachte Kraftstoffmehrverbrauch so gering wie möglich gehalten werden. Die Einstellung geeigneter Bedingungen zur Durchführung von Desulfatisierungen bzw. Partikelfilterregenerationen ist Gegenstand zahlreicher Patentschriften.
Aus der DE 198 50 757 A1 ist ein Verfahren zur Desulfatisierung eines Stickoxid-Speicherkatalysators bekannt, bei der die für die Durchführung der Desulfatisierung notwendige Desulfatisierungstemperatur zumindest teilweise durch die Regeneration eines stromauf des Stickoxid-Speicherkatalysators in der Abgasanlage angeordneten Partikelfilters erzeugt wird.
Aus der DE 199 26 138 A1 ist ein Verfahren zur Regeneration eines in der Abgasreinigungsanlage einer Brennkraftmaschine angeordneten Partikelfilters bekannt. Dabei werden verschiedene Maßnahmen zur Erreichung der für die Partikelfilterregeneration notwendigen erhöhten Abgastemperaturen, sowie Funktionskriterien, bei denen die einzelnen Maßnahmen durchgeführt werden, vorgeschlagen. Die vorgeschlagenen Maßnahmen betreffen insbesondere eine Ansaugluft- und Abgasdrosselung, eine Erhöhung der Abgasrückführrate, eine Ansteuerung des Turboladers eine späte Kraftstoffeinspritzung sowie eine Betätigung verschiedener elektrischer Verbraucher. Nach Beendigung der Partikelfilterregeneration werden die Heizmaßnahmen ausgeschaltet. Als Funktionskriterien dienen die Überschreitung eines bestimmten Abgasgegendrucks, das Ergebnis einer modellgestützten Abfrage sowie die Überschreitung einer kritischen Abgastemperatur. Ergänzend ist angegeben, dass die Abgasreinigungsanlage zusätzlich auch einen Stickoxid-Speicherkatalysator aufweisen kann.
Aus den Offenlegungsschriften DE 196 26 835 A1 , DE 196 26 836 A1 und DE 196 26 837 A1 sind insbesondere abschnittsweise zweiflutig ausgeführte Abgasreinigungsanlagen mit Stickoxid-Speicherkatalysator bekannt. Für die Erzielung einer ausreichenden Betriebstemperatur des Stickoxid-Speicherkatalysators wird eine Eindüsung von Kraftstoff ins Abgas und dessen anschließende, Wärme liefernde Oxidation bzw. die Verwendung eines E-Kats oder eines Brenners vorgeschlagen. Diese Maßnahmen werden auch als geeignet zur Erzielung einer weiter erhöhten Abgastemperatur, etwa zur Durchführung einer Desulfatisierung des Stickoxid-Speicherkatalysators oder zur Regeneration eines nachgeschalteten Partikelfilters beschrieben. Dabei wird zur Durchführung der Desulfatisierung zusätzlich die Einstellung eines Lambdawertes unter eins vorgeschlagen.
Aus der US 6,167,696 B1 ist ein integriertes System aus einem Partikelfilter und einem Stickoxid-Speicherkatalysator bekannt, bei welchem die Ausgangskanäle des Partikelfilters mit einer Stickoxid-Speicherkatalysatorbeschichtung versehen sind. Beschrieben sind weiterhin ein Verfahren zur Desulfatisierung des Stickoxid-Speicherkatalysators und ein Verfahren zur Regeneration des Partikelfilters wobei jeweils mit Hilfe eines vorgeschalteten elektrisch beheizten Katalysators aufgeheizt wird. Zur Durchführung einer Desulfatisierung bzw. einer Partikelfilterregeneration wird zunächst abgefragt, ob der jeweils andere Vorgang bereits im Gange ist. Ist dies der Fall, so wird die Desulfatisierung bzw. die Partikelfilterregeneration nicht durchgeführt.
Aus der DE 199 45 336 A1 ist ein Verfahren zur Desulfatisierung eines Stickoxid-Speicherkatalysators, der gemeinsam mit einem Partikelfilter in der Abgasreinigungsanlage einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, bekannt. Die Desulfatisierung erfolgt, indem der Stickoxid-Speicherkatalysator über eine vorbestimmte Desulfatisierungs-Mindesttemperatur gebracht wird, wobei die Desulfatisierung im Anschluss an eine Regeneration des Partikelfilters durchgeführt wird. Zur Desulfatisierung wird für die Brennkraftmaschine ein fetter (λ ≤ 1) Arbeitsmodus eingestellt.
DE 198 49 082 A1 vor, zur Desulfatisierung eines Stickoxid-Speicherkatalysators einen mehrfach wiederholter Wechsel zwischen oxidierender und reduzierender Abgaszusammensetzung durchzuführen, wobei zu Beginn der Desulfatisierung zunächst einige Zeit ein konstanter λ-Wert von λ < 1 eingestellt wird. Auf diese Weise können unerwünschte Schwefelwasserstoffemissionen vermieden werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur möglichst ökonomischen und effektiven Desulfatisierung eines gemeinsam mit einem Partikelfilter in einer Abgasreinigungsanlage angeordneten Stickoxid-Speicherkatalysators anzugeben, bei welchem einerseits unerwünschte Schwefelwasserstoffemissionen vermieden werden und welches andererseits möglichst ohne spürbare Beeinträchtigung des Motorbetriebs durchführbar ist. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, eine in einem möglichst weiten Motorbetriebsbereich durchführbare Anwendung des Verfahrens anzugeben.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2 sowie durch eine Anwendung des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Desulfatisierung eines üblichen Stickoxid-Speicherkatalysators die Einstellung einer entsprechend hohen Desulfatisierungs-Mindesttemperatur von ca. 550°C und die nachfolgende Einstellung eines wenigstens zeitweise reduzierend wirkenden Abgases erfordert. Erfindungsgemäß wird ein Mager-Fett-Wechselbetrieb durchgeführt. Darunter ist ein mehrfach wiederholter Wechsel zwischen oxidierender und reduzierender Abgaszusammensetzung zu verstehen. Sowohl die gezielt herbeigeführte Katalysatoraufheizung, als auch der Wechsel zwischen Mager- und Fettbetrieb wird dabei von dem ohnehin vorhandenen elektronischen Motorsteuergerät, vorzugsweise durch eine entsprechende Änderung der Kraftstoffeinspritz-Bedingungen, bewirkt. Für die Aufheizung sind jedoch auch andere, zusätzliche und unterstützend wirkende Maßnahmen wie eine Androsselung der Brennkraftmaschine denkbar.
Erfindungsgemäß wird die Desulfatisierung im Anschluss an eine Regeneration des Partikelfilters durchgeführt. Vorzugsweise dann, wenn die Schwefelbeladung des Stickoxid-Speicherkatalysators einen gewissen Mindestwert Smin überschritten hat. Die Schwefelbeladung wird vom Motorsteuergerät z. B. aus dem akkumulierten Kraftstoffverbrauch oder der Laufstrecke des Fahrzeugs im Zusammenhang mit der Höhe des Kraftstoffschwefelgehalts ermittelt. Weiterhin sind Methoden möglich, die sich an der auf die Schwefelvergiftung zurückzuführende Wirkungsgradverschlechterung des Speicherkatalysators orientieren.
Die Notwendigkeit einer Partikelfilter-Regeneration wird ebenfalls typischerweise vom Motorsteuergerät durch Auswertung entsprechender Signale, wie z. B. eines über dem Partikelfilter festgestellten erhöhten Differenzdruckes, ermittelt. Die Bewertung der Fahrzeuglaufstrecke kann jedoch ebenfalls als Kriterium für die Ermittlung der Notwendigkeit einer Partikelfilter-Regeneration herangezogen werden. Da die Durchführung der Partikelfilter-Regeneration ebenfalls erhöhte Abgastemperaturen bzw. erhöhte Partikelfilter-Temperaturen erfordert, kann so in vorteilhafter Weise der zum Zwecke der Partikelfilter-Regeneration durchgeführte Aufheizprozess für die nachfolgende Desulfatisierung des Stickoxid-Speicherkatalysators optimal genutzt werden.
Die Einstellung des Fettbetriebs bzw. die Einstellung eines reduzierend wirkenden Abgases ist speziell bei Dieselmotoren mit besonderen verbrennungstechnischen Schwierigkeiten verbunden. Ferner sind z. B. unerwünschte Komforteinbußen bei der Fahrbarkeit bzw. Laufruhe des Kraftfahrzeuges insbesondere bei der Durchführung eines Mager-Fett-Wechsels möglich. Es ist deshalb vorgesehen, dass die Durchführung der Desulfatisierung an vorgegebene Desulfatisierungs-Freigabebedingungen geknüpft ist. Diese Freigabebedingungen können z. B. an das Vorliegen eines bestimmten Fahrzustandes wie z. B. das Vorliegen einer zeitlich konstanten Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs oder an einen bestimmten Lastbereich der Brennkraftmaschine geknüpft sein.
Gemäß Anspruch 1 enthalten die Freigabebedingungen eine von der Brennkraftmaschine abgegebene zeitlich konstante Leistung und gemäß Anspruch 2 das Erfordernis eines außerhalb geringer Teillast liegenden Lastbereichs der Brennkraftmaschine. Durch Einhaltung der Bedingung einer von der Brennkraftmaschine abgegebenen zeitlich konstanten Leistung wird während der Desulfatisierung eine unerwünschte Einbuße des Fahrkomforts sicher vermieden. Die Ermittlung der zeitlichen Konstanz der von der Brennkraftmaschine abgegebenen mechanischen Leistung kann dabei z. B. über die Detektierung der Fahrpedalbewegung erfolgen. Werden die Freigabebedingungen vom Motorsteuergerät als gegeben erkannt, wird der Mager-Fett-Wechselbetrieb durchgeführt. Somit wird in besonders vorteilhafter Weise sowohl der Aufheizvorgang ökonomisch genutzt, als auch die im allgemeinen schwierig zu realisierende Desulfatisierung des Stickoxid-Speicherkatalysators zu einem dafür günstigen Zeitpunkt durchgeführt. Insgesamt wird also die Durchführung der Desulfatisierungen, insbesondere im Hinblick auf den Brennkraftmaschinenbetrieb, verbessert.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 und im Anspruch 2 angegebenen Verfahren möglich.
Es ist vorteilhaft, wenn der Mager-Fett-Wechselbetrieb der Brennkraftmaschine durch aufeinander folgende und sich abwechselnde Magerphasen und Fettphasen realisiert wird, wobei die Magerphasen und die Fettphasen eine Dauer von jeweils 3 Sekunden bis 20 Sekunden besitzen. Die Anfettung in den Fettphasen erfolgt vorzugsweise auf einen Lambdawert, d. h. auf ein Luft-Kraftstoffverhältnis im Bereich von 0,7 bis 0,99. Zur Minimierung der Schwefelwasserstoff-Freisetzung ist es vorteilhaft, diesen Lambdawert während der Fettphasen zu verändern. Vorzugsweise wird die Fettphase mit starker Anfettung, z. B. mit einem Lambdawert von ca. 0,7 begonnen und diese Anfettung kontinuierlich oder in Stufen bis auf einen Lambdawert von ca. 0,99 verringert. Im Verlaufe der Desulfatisierung nimmt die Schwefelbeladung des Stickoxid-Speicherkatalysators ab, und somit auch die Menge der freigesetzten flüchtigen Schwefelverbindungen. Dem kann mit Vorteil dadurch Rechnung getragen werden, dass der Lambdaverlauf in den Fettphasen im Verlauf der Desulfatisierung verändert wird. Besonders vorteilhaft ist eine im Verlaufe der Desulfatisierung veränderliche, vorzugsweise abnehmende, Dauer der Fettphasen bzw. ein veränderliches Verhältnis von Fettphasendauer zu Magerphasendauer. Es hat sich erwiesen, dass sich dadurch je nach Schwefelbeladung einerseits eine besonders effiziente Desulfatisierung erreichen lässt, andererseits die Freisetzung von Schwefelwasserstoff als unerwünschtem Desulfatisierungsprodukt vermieden werden kann.
Weiter ist es vorteilhaft, wenn die Aufheizung des Abgases auf die Temperatur zur Partikelfilterregeneration und weiter auf die Desulfatisierungs-Mindesttemperatur oder gegebenenfalls darüber, durch einen mageren Brennkraftmaschinenbetrieb und eine der Haupteinspritzung des Kraftstoffs folgende Nacheinspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum der Brennkraftmaschine vorgenommen wird. Durch die Nacheinspritzung kann erreicht werden, dass das Abgas einen Restgehalt an unverbranntem Kraftstoff enthält. Ist gleichzeitig ein Sauerstoffüberschuss vorhanden, so findet bei diesen insgesamt noch mageren Abgasbedingungen durch exotherme Oxidation des unverbrannten Kraftstoffs eine Aufheizung des Abgases und der vom Abgas durchströmten Bauteile statt. Über die vom Motorsteuergerät entsprechend vorgenommene Einstellung der nacheingespritzten Kraftstoffmenge kann die Stärke und die Geschwindigkeit der Temperaturanhebung gesteuert werden. Die durch exotherme Oxidation von unverbranntem Kraftstoff im Stickoxid-Speicherkatalysator bewirkte Temperaturerhöhung kann zusätzlich noch dadurch unterstützt werden, dass Einspritzbedingungen für eine relativ späte Verbrennungslage eingestellt werden, wodurch bereits eine motorseitige Abgasaufheizung bewirkt wird. Durch entsprechende Steuerung der Nacheinspritzung können auch insgesamt reduzierende Abgasbedingungen geschaffen werden, was für die Realisierung der Fettphasen bei der Desulfatisierung notwendig ist. Die Schaffung eines reduzierenden Abgases mit erhöhter Temperatur bei unverändertem abgegebenem Drehmoment und günstigem Brennverlauf kann insbesondere durch eine mehrstufige Einspritzung bzw. eine mehrstufige Verbrennung erreicht werden. Hierzu wird die Einspritzung z. B. in Vor-, Haupt- und Nacheinspritzung aufgeteilt. Auf diese Weise kann sowohl eine Aufheizung der im Abgasstrang angeordneten Abgasnachbehandlungskomponenten als auch ein Mager-Fett-Wechselbetrieb erreicht werden.
Bei Durchführung der Desulfatisierung durch Einstellung des Mager-Fett-Wechselbetriebes kann zumindest während der Fettphasen die Schwefelbeladung des Stickoxid-Speicherkatalysators heruntergezählt werden. Vorzugsweise erfolgt dies im elektronischen Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine, welches auch den Lambdawert des Fettbetriebes steuert. Somit kann die im Abgas während der Fettphasen zur Verfügung gestellte Reduktionsmittelmenge in einfacher Weise zur Berechnung der reduktiv umgesetzten Sulfatschwefelmenge verwendet werden. In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Desulfatisierung beendet, wenn die Desulfatisierungs-Freigabebedingungen nicht mehr vorliegen. Dies kann z. B. dadurch eintreten, dass entsprechend der Leistungsanforderung des Fahrers die von der Brennkraftmaschine abgegebene mechanische Leistung verändert wird.
Eine Beendigung kann auch vorgesehen sein, wenn die Schwefelbeladung durch die Desulfatisierung einen vorgebbaren Mindestwert unterschritten hat. Typischerweise ist dies nach etwa zehnmaligem Mager-Fett-Wechsel gegeben.
Das Vorliegen eines ausreichend guten Desulfatisierungsgrades kann auch dadurch festgestellt werden, dass die eingangsseitig und ausgangsseitig des Stickoxid-Speicher-Katalysators vorliegenden Abgas-Lambdawerte ermittelt und verglichen werden. Unter dem Lambdawert ist hier wie üblich das Luft-Kraftstoffverhältnis zu verstehen, mit dem die Brennkraftmaschine betrieben werden müsste, um ein Abgas mit entsprechenden Anteilen von reduzierenden Bestandteilen und oxidierenden Bestandteilen zu liefern. Da durch die chemische Reduktion des Sulfatschwefels während der Desulfatisierung im Abgas vorhandenes Reduktionsmittel verbraucht wird, liegt zumindest zu Beginn der Desulfatisierung eingangsseitig des Stickoxid-Speicherkatalysators ein höherer Reduktionsmittelgehalt im Abgas vor, als ausgangsseitig des Stickoxid-Speicherkatalysators. Typischerweise gleichen sich deshalb die Abgas-Lambdawerte eingangsseitig und ausgangsseitig des Stickoxid-Speicherkatalysators im Verlaufe der Desulfatisierung an. Vorzugs wird die Desulfatisierung deshalb beendet, wenn das Verhältnis λ1:λ2 der eingangsseitig und ausgangsseitig des Stickoxid-Speicherkatalysators gemessenen Abgas-Lambdawerte λ1 und λ2 einen vorgebbaren Wert zwischen 0,8 und 1,25 erreicht hat. Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen an einem konkreten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein schematisches Blockbild einer Brennkraftmaschine mit zugehöriger Abgasreinigungsanlage,
2 Ablaufdiagramme für den beispielhaften Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens und
3 ein weiteres Ablaufdiagramm für den beispielhaften Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine mit zugehöriger Abgasreinigungsanlage und zugehöriger Motorsteuerung. Hierbei sind nicht erfindungsrelevante Bauteile wie Abgasturbolader, Kraftstoffversorgung, Einspritzventile und dergleichen aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht mit in die Figur aufgenommen.
Entsprechend 1 wird das Abgas einer als Dieselmotor 1 ausgeführten Brennkraftmaschine einer Abgasleitung 2 zugeführt, in welcher vorzugsweise motornah und nahe hintereinander ein Stickoxid-Speicherkatalysator 3 und ein Partikelfilter 4 angeordnet sind und vom Abgas durchströmt werden. Mit Hilfe von Temperatursensoren 9 und 10 kann die Temperatur des Abgases eingangsseitig des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 und eingangsseitig des Partikelfilters 4 gemessen werden. Lambdasensoren 5 und 6 dienen der Messung des Abgas-Lambdawertes eingangsseitig und ausgangsseitig des Stickoxid-Speicherkatalysators 3. Eingangsseitig und ausgangsseitig des Partikelfilters 4 sind außerdem Drucksensoren 7 und 8 in der Abgasleitung untergebracht, welche der Messung des über dem Partikelfilters vorhandenen Druckgefälles dienen. Die Sensoren 5, 6, 7, 8, 9, 10 sind über die Signalleitungen 11 mit dem elektronischen Motorsteuergerät 12 verbunden, welches die entsprechenden Signale auswertet. Das Motorsteuergerät 12 ist ferner über eine Signalleitung 13, welche vorzugsweise für bidirektionale Datenübertragung ausgelegt ist, mit dem Dieselmotor 1 verbunden. Über diese Datenleitung werden einerseits Informationen an das Motorsteuergerät 12 übertragen, welche den Motorbetriebszustand charakterisieren wie z. B. Informationen bezüglich Motorlast, Motordrehzahl, Fahrgeschwindigkeit, Fahrpedalstellung und Fahrpedalbewegung. Andererseits werden vom Motorsteuergerät 12 Signale an den Motor bzw. an motorzugehörige Stellglieder übertragen, welche den Motorbetrieb beeinflussen. Insbesondere sind dies Signale, welche die Kraftstoffeinspritzung, die Frischluftzufuhr oder die Abgasrückführrate beeinflussen. Das Motorsteuergerät 12 enthält ferner einen hier nicht gesondert eingezeichneten Rechner zur Verarbeitung der empfangenen Signale bzw. zur Ermittlung der auszugebenden Signale. Ein ebenfalls nicht mit in die Zeichnung mit aufgenommener Speicher im Motorsteuergerät 12 dient z. B. zur Aufnahme von Kennfeldern. Aufgrund der genannten Möglichkeiten kann der Zustand des Stickoxid-Speicherkatalysators, des Partikelfilters sowie die Temperatur und das Kraftstoff-Luftverhältnis des Abgases ständig erfasst bzw. ermittelt werden und entsprechend den vorliegenden Fahrzuständen gegebenenfalls mit entsprechenden Maßnahmen zur Regeneration des Partikelfilters 4 und des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 reagiert werden. Zur weiteren Verbesserung der Zustandserfassung aller Bauteile und des Abgases können selbstverständlich zusätzliche oder alternative Sensoren vorgesehen sein, wie z. B. Sensoren zur Messung der Stickoxidkonzentration oder der CO-Konzentration im Abgas.
Zur Erläuterung des Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Folgenden zunächst Bezug auf die in 2 abgebildeten Ablaufdiagramme genommen. Das Ablaufdiagramm mit der Bezeichnung A beschreibt eine im Motorsteuergerät 12 bei Normalbetrieb des Dieselmotors 1 bzw. des Kraftfahrzeugs ständig durchlaufene Abfrageschleife. Unter Normalbetrieb ist hierbei zu verstehen, dass sich der Motor 1 außerhalb des Betriebsbereichs geringer Teillast, wie er z. B. bei Leerlauf oder bei geringer Fahrzeuggeschwindigkeit auftritt, befindet. In der Abfrageschleife A wird ständig abgefragt, ob der Schwefelgehalt S des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 einen vorgebbaren Maximalwert Smax überschritten hat, bzw. ob die Beladung C des Partikelfilters 4 einen ebenfalls vorgebbaren Maximalwert Cmax überschritten hat. Die Größe des Schwefelgehalts des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 wird hierbei vom Motorsteuergerät 12 über ein z. B. auf dem Kraftstoffverbrauch basierenden Modell oder aufgrund einer festgestellten Verschlechterung der Stickoxidspeicherfähigkeit des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 ermittelt. Hierzu kann insbesondere auch der Verlauf der von den Lambdasensoren 5 und 6 während der Nitratregeneration abgegebenen Signale ausgewertet werden.
Für die Ermittlung der Partikelfilterbeladung wird vom Motorsteuergerät 12 vorzugsweise die von den Drucksensoren 7 und 8 gelieferte Information bezüglich des Druckabfalles über dem Partikelfilter 4 ausgewertet und die Partikelfilterbeladung ebenfalls durch im Motorsteuergerät 12 abgespeicherte Modelle oder Kennfelder ermittelt. Die Ermittlung der Partikelfilterbeladung anhand der Kraftfahrzeuglaufstrecke unter Berücksichtigung der dabei aufgetretenen Fahrzustände ist natürlich ebenfalls möglich.
Wird innerhalb des Ablaufdiagrammes A die Abfrage nach dem Überschreiten der maximal zulässigen Schwefelbeladung Smax des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 vom Motorsteuergerät 12 mit ”ja” beantwortet, so wird in die Routine C (s. 3) verzweigt, deren Funktionen weiter unten beschrieben sind.
Wird innerhalb des Ablaufdiagrammes A die Abfrage nach dem Überschreiten der maximal zulässigen Partikelfilterbeladung Cmax vom Motorsteuergerät 12 mit ”ja” beantwortet, so wird durch Starten entsprechender Heizmaßnahmen das Abgas bzw. der Partikelfilter 4 auf eine zur Durchführung der Partikelfilter-Regeneration geeignete erhöhte Temperatur T,DPF-Regen. aufgeheizt und in die Routine B verzweigt. Die Aufheizung geschieht vorzugsweise durch Späteinspritzung oder Nacheinspritzung von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine 1. Dieser nacheingespritzte Kraftstoff trägt nicht oder nur zu einem kleinen Teil zur motorischen Verbrennung bei, sondern wird vielmehr erst in der Abgasleitung 2, im Stickoxid-Speicherkatalysator 3 oder in dem Partikelfilter 4 von dem sauerstoffhaltigen Abgas oxidiert. Die dabei frei werdende Reaktionswärme bewirkt die Aufheizung des Abgases bzw. des Partikelfilters 4. Die Menge des nacheingespritzten Kraftstoffes wird dabei vom Motorsteuergerät 12 so bemessen, dass eine Aufheizung auf eine Temperatur oberhalb von 450°C, vorzugsweise von ca. 550°C, gemessen vor dem Partikelfilter 4, erreicht wird.
In der Routine B ist beispielhaft der Verfahrensablauf zur Durchführung der Partikelfilterregeneration aufgeführt. Hierzu wird zunächst eine äußere Abfrageschleife gestartet. In dieser erfolgt eine Abfrage, ob ein vorgebbarer Mindestwert Cmin für die Beladung des Partikelfilters 4 überschritten wird. Die Ermittlung der Partikelfilterbeladung wird dabei wie oben beschrieben vom Motorsteuergerät durchgeführt. Wird die Mindestbeladung Cmin nicht überschritten, so wird wieder in die Routine A des Normalbetriebs zurückgehrt und die Aufheizmaßnahmen werden beendet. Wird die Frage nach der Überschreitung der Partikelfiltermindestbeladung Cmin mit ”ja” beantwortet, so wird zunächst ein Zeitzähler Z1 mit einem vorgebbaren Wert belegt, welcher vorzugsweise aus der vom Motorsteuergerät 12 ermittelten Beladung des Partikelfilters 4 abgeleitet wird. Anschließend wird in einer inneren Abfrageschleife der Betriebsmodus ”Partikelfilterregeneration” eingestellt bzw. beibehalten. Dies bedeutet, dass durch Fortführen der Heizmaßnahmen durch bedarfsgesteuerte Nacheinspritzung die zur Partikelfilterregeneration notwendige Temperatur aufrechterhalten wird. Hierbei wird der Zeitzähler Z1 beim Durchlaufen der inneren Abfrageschleife laufend dekrementiert, ebenso die Beladung des Partikelfilters. Bei der Dekrementierung der Partikelfilterbeladung wird vorzugsweise ein in der Motorsteuerung 12 abgelegtes Modell verwendet, welches vorzugsweise die Temperaturabhängigkeit und die Abgasdurchsatzabhängigkeit der Rußabbrandgeschwindigkeit berücksichtigt. Die Dekrementierung der Partikelfilterbeladung kann jedoch auch ebenso auf der Basis der Verminderung des laufend gemessenen Druckabfalles über dem Partikelfilter 4 ermittelt werden. Das Durchlaufen der inneren Abfrageschleife mit Dekrementierung der Partikelfilterbeladung und Dekrementierung des Zeitzählers Z1 erfolgt solange, bis die vorgegebene Regenerationszeit, welche durch die Abfragefrequenz und die Größe des Zeitzählers Z1 bestimmt ist, abgelaufen ist. Je nach Höhe der Partikelfilterbeladung mit der in die innere Abfrageschleife eingetreten wurde, wird der Betriebsmodus ”Partikelfilterregeneration” auf diese Weise etwa 30 s bis etwa 3 min aufrechterhalten. Nach Ablauf der Partikelfilterregenerationszeit wird daher die Abfrage ”Z1 = 0?” mit ”ja” beantwortet. Erfindungsgemäß erfolgt zu diesem Zeitpunkt, also im Zusammenhang mit der Durchführung einer Partikelfilterregeneration, die Abfrage nach dem Vorliegen einer vorgebbaren Schwefelmindestbeladung Smin des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 (Abfrage S > Smin?). Wird diese Abfrage mit ”nein” beantwortet, so erfolgt erneut der Eintritt in den Anfang der Routine B mit der Abfrage nach dem Vorliegen der Partikelfiltermindestbeladung Cmin. Wird jedoch innerhalb der Routine B zur Durchführung der Partikelfilterregeneration bei der entsprechenden Abfrage von der Motorsteuerung 12 die Überschreitung einer vorgebbaren Schwefelmindestbeladung Smin festgestellt, so wird in die Ablaufroutine C verzweigt.
Beim Eintritt in die Ablaufroutine C (siehe 3) liegt eine Anforderung für eine Desulfatisierung des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 vor und es werden Heizmaßnahmen zur Aufheizung des Abgases bzw. des Speicherkatalysators 3 auf die für die Durchführung der Desulfatisierung notwendigen Mindesttemperatur T,Desulf,min getroffen. Diese Desulfatisierungs-Mindesttemperatur liegt typischerweise über 550°C, bei üblichen Stickoxid-Speicherkatalysatoren 3 vorzugsweise bei etwa 600°C bis 650°C. Die entsprechenden Heizmaßnahmen sind im wesentlichen dieselben, wie sie auch bei der Aufheizung zur Durchführung der Partikelfilterregeneration ergriffen werden (s. o.).
Erfolgt das Eintreten in die Ablaufroutine C ausgehend von der Ablaufroutine B zur Partikelfilterregeneration, so zeigt sich an dieser Stelle der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens. Da diesem Fall bereits eine erhöhte Abgastemperatur vorliegt, ist für die weitere Aufheizung auf die zur Durchführung der Desulfatisierung notwendigen Mindesttemperatur T,Desulf,min nur mehr ein relativ geringer Energieeinsatz bzw. Kraftstoffeinsatz notwendig, und die erforderliche Temperatur ist entsprechend schnell erreicht. Erfindungsgemäß wird nun jedoch nicht sofort die eigentliche Desulfatisierungsprozedur z. B. durch die zeitweise Einstellung reduzierender Abgasbedingungen gestartet. Vielmehr wird durch Setzen eines Zeitzählers Z2 ein gewisser Wartezustand eingestellt. In diesem Wartezustand werden einerseits die Heizmassnahmen in dem Maße fortgeführt, wie sie zur Aufrechterhaltung der Desulfatisierungs-Mindesttemperatur T,Desulf,min notwendig sind. Andererseits wird eine Abfrageschleife durchlaufen, in der der Zeitzähler Z2 dekrementiert wird und in der erfindungsgemäß ständig abgefragt wird, ob bestimmte Freigabebedingungen erfüllt sind. (Abfrage: Freigabe?). Vorzugsweise wird nach dem zu den Freigabebedingungen gehörendem Kriterium einer abgegebenen zeitlich konstanten mechanischen Motorleistung gefragt. Die Aufnahme weiterer Kriterien wie z. B. das einer konstanten Fahrzeuggeschwindigkeit zu den abgefragten Freigabebedingungen ist natürlich ebenfalls möglich. Durch diese erfindungsgemäße Abfrage von vorgebbaren, durch den Motorbetrieb bestimmten Freigabebedingungen, wird auf vorteilhafte Weise sichergestellt, dass die Desulfatisisierung erst dann durchgeführt wird, wenn sie hinsichtlich des Motorbetriebes und der Fahrbarkeit bzw. des Fahrkomforts keine nicht tolerierbaren Nachteile mit sich bringt.
Durch laufende Dekrementierung und Abfrage (Z = 0?) des Zeitzählers Z2 in der Warteschleife wird vermieden, dass bei fehlenden Freigabebedingungen die verbrauchsintensiven Heizmaßnahmen unangemessen lange aufrechterhalten bleiben. In diesem Fall wird die Routine C verlassen und es wird in die Routine B verzweigt. Vorzugsweise wird die maximale Wartezeit in der Abfrageschleife durch das bedarfsgerechte Setzen des Zeitzählers Z2 begrenzt. D. h. einer größeren Dringlichkeit der Desulfatisierung wird dadurch Rechnung getragen, dass der Zeitzähler Z2 eingangs der Routine C auf einen relativ großen Wert gesetzt wird. Ist bei Eintritt in die Routine C jedoch nur eine geringe Schwefelbeladung des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 vorhanden, so wird der Zeitzähler Z2 nur auf einen relativ kleinen Wert gesetzt. Typisch sind hier Werte für den Zeitzähler, welche die maximale Wartezeit in der Abfrageschleife auf etwa 2 min bis etwa 10 min begrenzen. Wird innerhalb dieser Wartezeit die Abfrage nach dem Vorliegen der Freigabebedingungen mit ”ja” beantwortet, so wird sofort in den eigentlichen Desulfatisierungsmodus übergegangen. Dieser ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass vom Motorsteuergerät 12 ein Mager-Fett-Wechselbetrieb des Motors 1 durch aufeinanderfolgende und sich abwechselnde Magerphasen und Fettphasen realisiert wird, wobei die Magerphasen und die Fettphasen eine Dauer von jeweils etwa 3 Sekunden bis etwa 20 Sekunden besitzen. Insbesondere in den Fettphasen wird der in Form von Sulfaten im Stickoxid-Speicherkatalysator 3 eingelagerte Schwefel reduziert und gasförmig mit dem Abgasstrom ausgetragen. Dies wird durch die rechnerische Dekrementierung des in der Motorsteuerung 12 abgespeicherten Wertes für die Schwefelbeladung berücksichtigt.
In den Fettphasen kann, insbesondere bei zu starker oder zu langer Anfettung, eine Reduktion des Schwefels zum Schwefelwasserstoff erfolgen, was aus Geruchsgründen natürlich unerwünscht ist. Diesem Nachteil kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch begegnet werden, dass je nach der vom Motorsteuergerät 12 ermittelten Schwefelbeladung des Stickoxid-Speicherkatalysators 3, die Dauer der Fettphase und/oder die Stärke der Anfettung entsprechend angepasst wird. Während der Desulfatisierung wird in einer Abfrageschleife laufend weiter das Vorliegen der Freigabebedingungen bzw. das Überschreiten des Mindestschwefelgehalts Smin im Stickoxid-Speicherkatalysator 3 abgefragt. Solange beide Abfragen mit ”ja” beantwortet werden, wird der Mager-Fett-Wechselbetrieb der Brennkraftmaschine beibehalten und die Desulfatisierung weitergeführt.
Bei Wegfall der Freigabebedingungen wird zurück in die Abfrageschleife des Wartezustands gesprungen, und der Zähler Z2 ausgehend vom letzten Zählerstand weiter dekrementiert.
Da während der eventuell auftretenden Wartezeit bis zum Vorliegen der Freigabebedingungen bzw. während des Mager-Fett-Wechselbetriebes auch ein gewisser Rußabbrand am Partikelfilter 4 stattfindet, und somit auch die Partikelfilterbeladung abnimmt, wird bei Unterschreiten des Mindestschwefelgehalts Smin nicht in die Routine B zur Partikelfilterregeneration verzweigt. Es werden vielmehr die Heizmaßnahmen beendet und die Hauptroutine A gesprungen.
Das Unterschreiten des Mindestschwefelgehalts Smin wird vorzugsweise durch modellbasierte Dekrementierung im Motorsteuergerät 12 bewerkstelligt. Hierbei ist das im Motorsteuergerät abgelegte Berechnungsmodell vorzugsweise so ausgelegt, dass die Stärke der Dekrementierung des Schwefelgehalts in Abhängigkeit von der Dauer und der Stärke der Anfettung vorgenommen wird. Typischerweise erfolgt ein etwa zehnmaliger Mager-Fett-Wechsel.
Eine weitere vorteilhafte Methode zur Ermittlung einer ausreichenden Desulfatisierung beruht auf dem Vergleich der eingangsseitig und ausgangsseitig des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 mit Hilfe der Lambdasensoren 5 und 6 gemessenen Abgas-Lambdawerte. Da bei der Desulfatisierung durch die chemische Reduktion des Sulfatschwefels Reduktionsmittel verbraucht wird, ist, solange dies der Fall ist, der ausgangsseitig des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 vorliegende Abgas-Lambdawert höher als der eingangsseitig vorliegende Abgas-Lambda-Wert. Mit zunehmender Desulfatisierung wird der Reduktionsmittelverbrauch geringer, weshalb sich die eingangsseitig und ausgangsseitig des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 gemessenen Abgas-Lambdawerte annähern. Ein besonders wichtiges Indiz für die Vollständigkeit der Desulfatisierung ist die Fähigkeit des Stickoxid-Speicherkatalysators 3, die Wassergas-Reaktion katalysieren zu können. Bei dieser Reaktion wird bei reduzierenden Bedingungen Kohlenmonoxid und Wasser zu Kohlendioxid und Wasserstoff umgesetzt. Die durch diese Reaktion hervorgerufene Anreicherung des Abgases mit Wasserstoff wirkt sich auf das Signal der Lambdasonde 6 ausgangsseitig des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 durch ein Absinken des gemessenen Abgas-Lambdawertes aus. Durch den Vergleich der eingangsseitig und ausgangsseitig des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 mit Hilfe der Lambdasensoren 5 und 6 gemessenen Abgas-Lambdawerte kann demnach in vorteilhafter Weise das Fortschreiten der Desulfatisierung beurteilt werden. Bei laufender Desulfatisierung wird deshalb die Abfrage nach der Unterschreitung der Schwefelmindestbeladung Smin mit ”ja” beantwortet, wenn das Verhältnis λ1:λ2 der eingangsseitig und ausgangsseitig des Stickoxid-Speicherkatalysators 3 gemessenen Abgas-Lambdawerte λ1 und λ2 einen vorgebbaren Wert zwischen 0,8 und 1,25 erreicht hat. Der maßgebliche Wert hängt in erster Linie von der Art des Katalysators bzw. von der Art der verwendeten Lambdasonden 5, 6 ab.

Claims

Verfahren zur Desulfatisierung eines Stickoxid-Speicherkatalysators (3), der in der Abgasreinigungsanlage einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere eines in Kraftfahrzeugen verwendeten Dieselmotors, gemeinsam mit einem Partikelfilter (4) angeordnet ist, wobei die Desulfatisierung erfolgt, indem der Stickoxid-Speicherkatalysator (3) über eine vorbestimmte Desulfatisierungs-Mindesttemperatur gebracht wird, wobei die Desulfatisierung im Anschluss an eine Regeneration des Partikelfilters (4) durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Desulfatisierung ein mehrfach wiederholter Wechsel zwischen oxidierender und reduzierender Abgaszusammensetzung durchgeführt wird, wobei die Durchführung der Desulfatisierung an das Vorliegen vorgegebener Desulfatisierungs-Freigabebedingungen geknüpft ist, welche eine von der Brennkraftmaschine (1) abgegebene zeitlich konstante mechanische Leistung enthalten.
Verfahren zur Desulfatisierung eines Stickoxid-Speicherkatalysators (3), der in der Abgasreinigungsanlage einer Brennkraftmaschine (1), insbesondere eines in Kraftfahrzeugen verwendeten Dieselmotors, gemeinsam mit einem Partikelfilter (4) angeordnet ist, wobei die Desulfatisierung erfolgt, indem der Stickoxid-Speicherkatalysator (3) über eine vorbestimmte Desulfatisierungs-Mindesttemperatur gebracht wird, wobei die Desulfatisierung im Anschluss an eine Regeneration des Partikelfilters (4) durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Desulfatisierung ein mehrfach wiederholter Wechsel zwischen oxidierender und reduzierender Abgaszusammensetzung durchgeführt wird, wobei die Durchführung der Desulfatisierung an das Vorliegen vorgegebener Desulfatisierungs-Freigabebedingungen geknüpft ist, welche das Erfordernis eines außerhalb geringer Teillast liegenden Lastbereichs der Brennkraftmaschine (1) enthalten.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasen mit oxidierender Abgaszusammensetzung und/oder die Phasen mit reduzierender Abgaszusammensetzung eine Dauer von 3 bis 20 Sekunden aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneration des Partikelfilters (4) nach Zurücklegen einer vorgebbaren Fahrzeuglaufstrecke durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in den Phasen mit reduzierender Abgaszusammensetzung ein Lambdawert zwischen 0,7 und 0,99 eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Desulfatisierung beendet wird, wenn die Desulfatisierungs-Freigabebedingungen nicht mehr erfüllt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Desulfatisierung beendet wird, wenn das Verhältnis λ1:λ2 der eingangsseitig und ausgangsseitig des Stickoxid-Speicherkatalysators (3) gemessenen Abgas-Lambdawerte λ1 und λ2 einen vorgebbaren Wert zwischen 0,8 und 1,25 erreicht hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass während der Desulfatisierung eine einer Haupteinspritzung folgende Nacheinspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum der Brennkraftmaschine (1) vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei einer Abgasreinigungsanlage angewendet wird, bei welcher der Stickoxid-Speicherkatalysator (3) vor dem Partikelfilter (4) angeordnet ist.
Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei einer Abgasreinigungsanlage angewendet wird, bei welcher der Stickoxid-Speicherkatalysator motornah angeordnet ist.