DE102004002292B4 - Abgaskatalysator und Verfahren zum Betreiben einer Abgaskatalysatorvorrichtung - Google Patents

Abgaskatalysator und Verfahren zum Betreiben einer Abgaskatalysatorvorrichtung Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer einem Verbrennungsmotor (1) nachgeschalteten Abgaskatalysatorvorrichtung mit zumindest einem mit Schwefel beladenen Katalysator (10), wobei der Katalysator (10) einer temperatur- und lambdageregelten Desulfatierung mit einer Aufheizphase und einer Sulfatzersetzungsphase unterzogen wird, wobei während der Aufheizphase des Katalysators (10) an dessen Eingang (12) ein stöchiometrisches Luftverhältnis (λ11) eingestellt wird, stromauf des Katalysators (10) ein erster Abgasstrang (6) mit einem wenigstens phasenweise unterstöchiometrischen (λ6) und ein zweiter Abgasstrang (7) mit einem überstöchiometrischen Luftverhältnis (λ7) betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Abgasstrang (6) bei einer Haupteinspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum von Zylindern (2,5) des Verbrennungsmotors (1) ein homogener Betrieb mit stöchiometrischem oder überstöchiometrischen Luftverhältnis (46) eingestellt wird und durch eine Nacheinspritzung in einem Expansionstakt das unterstöchiometrische Luftverhältnis (λ6) eingestellt wird, und wobei während der Sulfatzersetzungsphase das Luftverhältnis (λ11) am Eingang (12) des Katalysators (10) durch weiteres Absenken des Luftverhältnisses (λ6) durch eine Erhöhung der Nacheinspritzung in dem zumindest...

Description

  • Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betrieben einer Abgaskatalysatorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Es ist bekannt, dass der im Abgas eines Fahrzeugs enthaltene Schwefel im Verbrennungsmotor zu Schwefeldioxid umgewandelt wird. NOx-Speicherkatalysatoren adsorbieren bei Luftüberschuss (Magerbetrieb) neben Stickoxiden (NOx) auch Schwefeldioxid, was zu einer kontinuierlichen Verschwefelung des NOx-Speicherkatalysators führt. Abhängig von der eingespeicherten Schwefelmenge sinkt die NOx-Speicherfähigkeit und somit auch die NOx-Konvertierungsrate. Bei Unterschreitung einer Mindestkonvertierungsrate ist ein weiterer Magerbetrieb nicht möglich, da dann die gültigen Emissionsgrenzwerte nicht mehr eingehalten werden können. Aus Emissionsgründen kann der Verbrennungsmotor dann nur noch stöchiometrisch (λAbgas = 1) betrieben werden, da hier die Gesamtkonvertierung der Abgaskomponenten HC, CO, NOx durch die Dreiwege-Eigenschaften zumindest eines üblicherweise vorhandenen Dreiwege-Katalysators im Abgastrakt gewährleistet werden kann. Allerdings ist dann der Verbrauchsvorteil des Magerbetriebs nicht mehr nutzbar.
  • Eine Desulfatierung des NOx-Speicherkatalysators ist erforderlich, um die ursprüngliche Speicherfähigkeit wenigstens annähernd wieder herzustellen. Aufgrund der höheren thermischen Stabilität der gebildeten Sulfate gegenüber den Nitraten kann der eingespeicherte Schwefel nicht einfach, analog zur NOx-Regeneration, durch die Bereitstellung einer unterstöchiometrischen Abgaszusammensetzung (λAbgas < 1) aus dem Katalysator entfernt werden. Eine Desulfatierung des NOx-Speicherkatalysators ist nur bei hohen Abgastemperaturen und gleichzeitiger Bereitstellung von Reduktionsmitteln (HC, CO, H2) möglich, wobei die Abgastemperatur nach oben beschränkt ist, da sonst der NOx-Speicherkatalysator thermisch geschädigt wird und eine irreversible Abnahme der NOx-Speicherfähigkeit mit sich bringt.
  • Aus dem US-Patent 6,250,074 B1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Abgaskatalysatorvorrichtung bekannt, bei dem in einer Sulfatzersetzungsphase ein Luftverhältnis von λ = 1 oder λ < 1 gefahren wird. Ferner ist es aus dieser Literaturstelle bekannt, eine Nacheinspritzung vorzunehmen.
  • Aus der Europäischen Patentanmeldung 0 950 803 A2 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Abgaskatalysatorvorrichtung bekannt, wobei stromaufwärts des Katalysators zwei Abgasstränge vorgesehen sind. In einer einer Sulfatzersetzungsphase zeitlich vorgeschalteten Aufheizphase erfolgt ein Betrieb mit λ = 1. Hinweise auf eine Nacheinspritzung sind in dieser Literaturstelle nicht enthalten.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Abgasvorrichtung anzugeben, bei der eine Desulfatierung eines NOx-Speicherkatalysators mit geringem Zeitaufwand möglich ist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der Beschreibung enthalten.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer einem Verbrennungsmotor nachgeschalteten Abgaskatalysatorvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Katalysator, insbesondere ein NOx-Speicherkatalysator, einer temperatur- und lambdageregelten Desulfatierung mit einer Aufheizphase und einer Sulfatzersetzungsphase unterzogen wird. Zeitaufwand und Kraftstoffmehrverbrauch werden minimiert. Gleichzeitig ist das Verfahren abgasneutral bezüglich limitierter Abgaskomponenten wie Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid (CO) sowie Stickoxiden (NOx). Ferner kann eine Freisetzung von nichtlimitierten Komponenten wie Ammoniak (NH3), Schwefelwasserstoff (H2S) sowie Kohlenoxisulfid (COS) vermindert. Besonders die am Geruch deutlich wahrnehmbare Schwefelwasserstoffbildung wird weitgehend unterbunden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für Fahrzeuge mit einem direkteinspritzendem Ottomotor geeignet, welche eine zumindest bereichsweise zweiflutige Abgasanlage aufweisen. Das Verfahren lässt sich leicht auf beliebige geradzahlig mehrzylindrige Motoren überragen.
  • Da während der Aufheizphase des Katalysators an dessen Eingang ein stöchiometrisches Luftverhältnis eingestellt wird, kann der Wert des Luftverhältnisses leicht als gut zugängliche Regelgröße verwendet werden. Eine Aufheizung erfolgt im Wesentlichen im Katalysator selbst, so dass eine Aufheizung der gesamten Abgaskatalysatorvorrichtung vermieden werden kann. Sowohl eine Aufheizphase als auch eine anschließende Abkühlphase kann dadurch verkürzt werden.
  • Da während der Aufheizphase stromauf des Katalysators ein erster Abgasstrang mit einem wenigstens phasenweise unterstöchiometrischen und ein zweiter Abgasstrang mit einem überstöchiometrischen Luftverhältnis betrieben wird, kann über die Aufspaltung des Luftverhältnisses eine günstige Beheizung des Katalysators erreicht werden. Vorzugsweise wird im ersten Abgasstrang bei einer Haupteinspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum des Verbrennungsmotors ein homogener Betrieb mit stöchiometrischem Luftverhältnis eingestellt und durch eine Nacheinspritzung in einem Expansionstakt ein unterstöchiometrisches Luftverhältnis eingestellt. Ein großer Vorteil der Nacheinspritzung im Homogenbetrieb gegenüber einer homogenen Anfettung ist eine stark reduzierte Wasserstoffemission. Die Bildung von Schwefelwasserstoff und Ammoniak, die in Anwesenheit von Wasserstoff stark zunimmt, wird dadurch weitgehend unterdrückt. Alternativ kann im ersten Abgasstrang bei einer Haupteinspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum des Verbrennungsmotors ein homogener Betrieb mit überstöchiometrischem Luftverhältnis eingestellt werden und durch eine Nacheinspritzung in einem Expansionstakt ein unterstöchiometrisches Luftverhältnis eingestellt werden. Die nacheingespritzte Kraftstoffmenge kann entsprechend erhöht werden, damit sich am Eingang des Katalysators ein stöchiometrisches Luftverhältnis einstellen kann. Dies erlaubt eine schnellere Aufheizung des Katalysators, indem ein im überstöchiometrisch betriebenen Abgasstrang angeordneter Dreiwegekatalysator bereits einen Teil des nacheingespritzten Kraftstoffs umsetzt und so die Abgastemperatur erhöht.
  • Da während der Sulfatzersetzungsphase das Luftverhältnis am Eingang des Katalysators unterstöchiometrisch eingestellt wird, kann im Katalysator eingelagertes Sulfat leichter zersetzt werden. Während der Sulfatzersetzungsphase wird ein Reduktionsmittel massenstrom zugeführt. Da der Reduktionsmittelmassenstrom mit zunehmender Desulfatierungsdauer durch eine Reduzierung der Nacheinspritzung reduziert wird, lässt sich ein Überangebot von Reduktionsmitteln, das zu einer Schwefelwasserstoffemission führen kann, vermeiden. Die Reduzierung kann entsprechend einem tatsächlichen momentanen Bedarf für jeden Lastpunkt des Verbrennungsmotors erfolgen oder stufenweise, wobei der Reduktionsmittelbedarf für jeweils mehrere Lastpunkte des Verbrennungsmotors zusammengefasst ist.
  • Erfolgt die Nacheinspritzung im Expansionstakt des Verbrennungsmotors im Bereich 10°KW bis 70°KW nach einem oberen Totpunkt einer Kurbelwelle, wird eine Beeinflussung eines Lastpunkts des Verbrennungsmotors vermieden, und das Luftverhältnis kann weiter abgesenkt werden. Bevorzugt liegt der Winkel zwischen 20°KW und 60°KW. Die Wasserstoffbildung im Katalysator wird stark herabgesetzt.
  • Wird ein Temperaturgradient beim Aufheizen des Katalysators durch einen Unterschied der unterstöchiometrischen und überstöchiometrischen Luftverhältnisse im ersten und zweiten Abgasstrang eingestellt, kann auf einfache Weise ein gewünschter Temperaturanstieg des Katalysators erreicht werden. Ferner kann auch eine Stationärtemperatur des Katalysators auf diese Weise eingestellt werden. Die Aufheizphase wird zumindest solange durchgeführt, bis der Katalysator einen gewünschten Temperaturbereich zur Durchführung der Sulfatzersetzung in der Sulfatzersetzungsphase erreicht hat. Die erhöhte Temperatur des Katalysators in der Sulfatzersetzungsphase kann entsprechend stabilisiert werden.
  • Wird ein Zündwinkel von dem unterstöchiometrisch betriebenen ersten Abgasstrang zugeordneten Zylindern soweit nach spät verstellt, dass alle Zylinder eine gleiche Leistung abgeben, kann eine Anhebung der Abgastemperatur unterstützt werden.
  • Wird ein Zündwinkel von dem überstöchiometrisch betriebenen zweiten Abgasstrangs zugeordneten Zylindern leistungsoptimiert eingestellt, ergibt sich ein günstiger Betrieb des Verbrennungsmotors.
  • Eine Abgasneutralität bezüglich der limitierten Abgaskomponenten HC, CO, NOx kann gewährleistet werden, wenn das Luftverhältnis während der Sulfatzersetzungsphase stromab des Katalysators stöchiometrisch eingestellt wird. Ferner kann die Abgasneutralität auch bezüglich Methan CH4 eingehalten werden. Als Stellgröße kann die Menge der Nacheinspritzung dienen, wodurch ein Einfluss auf einen Lastpunkt des Verbrennungsmotors weitgehend vermieden wird.
  • In einer Abgaskatalysatorvorrichtung für einen Verbrennungsmotor sind Mittel zur temperatur- und lambdageregelten Desulfatierung eines Katalysators, insbesondere eines NOx-Speicherkatalysators, vorgesehen.
  • Bevorzugt sind ausgangsseitig des Verbrennungsmotors ein erster und ein zweiter Abgasstrang mit jeweils einem Dreiwege-Katalysator parallel zueinander und vor dem Katalysator zusammengeführt. Mit der Anordnung können verschiedene Luftverhältnisse in den Abgassträngen eingestellt werden und so der Katalysator schneller aufgeheizt werden.
  • Vorteilhaft ist stromauf zumindest eines Dreiwege-Katalysators eine stetige Lambdasonde angeordnet, während stromab zumindest eines Dreiwege-Katalysators eine binäre Lambdasonde angeordnet ist. Die Luftverhältnisse in den Abgassträngen können überwacht werden.
  • Eine Überhitzung des Katalysators kann vermieden werden, wenn an einem Eingang des Katalysators ein Temperatursensor angeordnet ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Prinzipskizze einer zweiflutigen Abgaskatalysatorvorrichtung;
  • 2 ein Funktionsprinzip mit Abgassträngen mit unterschiedlichen Luftverhältnissen in einer Aufheizphase eines Katalysators;
  • 3a, b einen Hubverlauf eines Kolbens (a) Luftverhältnisse bei einer Anfettung mit Nacheinspritzung im Homogenbetrieb (b);
  • 4 ein Schaubild mit einem Zusammenhang zwischen abgasstrangselektiven Luftverhältnissen;
  • 5 eine funktionelle Abhängigkeit einer Wasserstoffkonzentration bei homogener Anfettung und Nacheinspritzung;
  • 6 ein Funktionsprinzip einer schichtweisen Desulfatierung; und
  • 7a, b eine Regelstrategie für eine Desulfatierung mit idealisiertem Verlauf (a) und Treppenfunktion (b).
  • Ein prinzipieller Aufbau einer Abgaskatalysatoranlage ist in 1 dargestellt. An einen Verbrennungsmotor 1 mit Zylindern 2, 3, 4, 5 schließen sich zwei parallel geführte erste und zweite Abgasstränge 6, 7 an, die vor einem Katalysator 10 in eine gemeinsame Abgasleitung 11 zusammengeführt sind. In jedem Abgasstrang 6, 7 ist ein Dreiwege-Katalysator 8, 9 angeordnet, sowie in jedem Abgasstrang 6, 7 vor jedem Dreiwege-Katalysator 8, 9 eine stetige Lambdasonde 15, 17 zum kontinuierlichen Messe des Lambdawerts λ6, λ7 sowie in jedem Abgasstrang 6, 7 nach jedem Dreiwege-Katalysator 8, 9 eine binäre Lambdasonde 16, 18 zur sprungartigen Messung des Lambdawerts λ6, λ7 stromab des Dreiwege-Katalysators 8, 9. Der erste Abgasstrang 6 ist den Zylindern 2, 5, der zweite Abgasstrang 7 den Zylindern 3, 4 zugeordnet.
  • Der Katalysator 10 ist vorzugsweise als NOx-Speicherkatalysator ausgebildet und besteht bevorzugt aus einem Monolithen, der mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet ist (Washcoat). Die Abgasleitung 11 mündet in einen Eingang 12 des Katalysators 10, an dem ein Temperatursensor 19 angeordnet ist. Stromab des Katalysators 10 ist ein NOx-Sensor 20 angeordnet. Gereinigtes Abgas gelangt durch eine Abgasleitung 14 stromab des Katalysators 10 nach außen.
  • Das Luftverhältnis λ, auch lokale Luftverhältnisse λ6, λ7, λ11, λ13 an verschiedenen Stellen der Abgaskatalysatorvorrichtung, eine Einspritzung von Kraftstoff in den Verbrennungsmotor, Zündwinkel der Zylinder 2, 3, 4, 5 und dergleichen werden von einer nicht dargestellten Motorsteuereinheit eingestellt bzw. gesteuert und/oder geregelt.
  • Die Desulfatierung des Katalysators 10 zur Entfernung eingelagerten Schwefels erfolgt temperatur- und lambdageregelt in zwei Schritten: in einer Aufheizphase wird der Katalysator 10 aufgeheizt, und in einer Sulfatzersetzungsphase wird der Schwefel aus dem Katalysator 10 entfernt.
  • Die Aufheizung des Katalysators 10 erfolgt über einen so genannten Lambda-Split, bei dem während der Aufheizphase des Katalysators 10 in dem ersten Abgasstrang 6 ein anderes Luftverhältnis λ6 als in dem zweiten Abgasstrang 7 (mit einem Luftverhältnis λ7) eingestellt wird. Die beiden Luftverhältnisse λ6, λ7 werden so aufeinander abgestimmt, dass am Eingang 12 des Katalysators 10 sich jedoch ein stöchiometrisches Gesamtluftverhältnis λ11 einstellt. Dies ist in 2 dargestellt. Es sind nur einige Komponenten mit Bezugszeichen bezeichnet; die Anordnung entspricht derjenigen in 1. Im ersten Abgasstrang 6 wird vor dem Dreiwege-Katalysator 8 das Luftverhältnis λ6 bei einer Haupteinspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum des Verbrennungsmotors 1 im homogenen Betrieb stöchiometrisch und durch eine Nacheinspritzung in einem Expansionstakt unterstöchiometrisch eingestellt. Das Luftverhältnis λ6 kann dabei z. B. auf Werte bis 0,5 abfallen. Der erste Abgasstrang 6 wird demnach wenigstens phasenweise mit einem unterstöchiometrischen Luftverhältnis λ6 (Fettbetrieb) betrieben.
  • Alternativ kann das Luftverhältnis λ6 im ersten Abgasstrang 6 bei der Haupteinspritzung von Kraftstoff in den Brennraum der Zylinder 2, 5 im homogenen Betrieb überstöchiometrisch (λ6 > 1) und durch eine Nacheinspritzung in einem Expansionstakt unterstöchiometrisch eingestellt werden, wobei die Menge des nacheingespritzten Kraftstoffs entsprechend erhöht wird, um insgesamt ein Gesamtluftverhältnis λ11 = 1 vor dem Katalysator 10 zu ergeben. Dabei wird ein Teil der nacheingespritzten Kraftstoffmenge im motornahen Dreiwege-Katalysator 8 umgesetzt und erhöht dadurch die Abgastemperatur, mit der der Katalysator 10 angeströmt wird. Zweckmäßigerweise wird die Temperatur der jeweiligen Katalysatoren 8, 9, 10 mit Temperatursensoren oder einem Abgastemperaturmodell in der Motorsteuerung überwacht, um eine vorzeitige thermische Alterung zu vermeiden.
  • Währenddessen wird im zweiten Abgasstrang 7 vor dem Dreiwege-Katalysator 9 ein überstöchiometrisches Luftverhältnis λ7 eingestellt (Magerbetrieb). Die Luftverhältnisse λ6, λ7 werden möglichst exakt aufeinander abgestimmt, so dass sich am Eingang 12 des Katalysators 10 das stöchiometrische Gesamtluftverhältnis λ11 ergibt. Das stöchiometrisches Gesamtluftverhältnis λ11 stellt eine Regelgröße während der Aufheizphase dar und wird auf den konstanten Wert λ11 = 1 geregelt. Die Luftverhältnisse λ6, λ7 sind im ersten und zweiten Einschubbild skizziert. Wie in der 2 zu erkennen ist, steigt in der Aufheizphase die Temperatur TKat des Katalysators 10 an (gestrichelte Kurve des dritten Einschubbildes) und kann auf einem erhöhten Wert, beispielsweise zwischen 650°C und 800°C, gehalten werden, der während der Sulfatzersetzungsphase bevorzugt beibehalten wird.
  • Während der Sulfatzersetzungsphase wird das Luftverhältnis λ11 am Eingang 12 des Katalysators 10 auf unterstöchiometrische Werte abgesenkt, während das Gesamtluftverhältnis λ13 am Ausgang 13 nach dem Katalysator 10 von der Motorsteuerung auf den stöchiometrischen Wert λ13 = 1 geregelt wird. Zusätzlich werden Zündwinkel der Zylinder 2, 3, 4, 5 so verändert, dass die Zylinder 2, 5, denen der erste Abgasstrang 6 zugeordnet ist, soweit nach spät verstellt werden, dass die Zylinder 2, 5 die gleiche Leistung abgeben wie die Zylinder 3, 4. Die Zündwinkel der Zylinder 3, 4 werden so eingestellt, dass diese leistungsoptimiert betrieben werden. Die Spätverstellung des ersten Abgasstrangs 6 nimmt bei höherer Lambdaspreizung, d. h. größerer Differenz zwischen λ6 und λ7 zu und unterstützt dadurch die Anhebung der Abgastemperatur. Die maximal realisierbare Lambda-Spreizung wird durch die Magerlauffähigkeit des zweiten Abgasstrangs 7 begrenzt.
  • 3a, b verdeutlicht den Einspritzvorgang. Nach einer Haupteinspritzung HE von Kraftstoff findet eine Nacheinspritzung NE im Expansionstakt des Verbrennungsmotors 1 im Bereich 10°KW bis 70°KW nach einem oberen Totpunkt (OT) einer Kurbelwelle statt. (3a). Das Luftverhältnis nimmt entsprechend ab (3b).
  • Wie in 4 zu erkennen ist, ergibt sich ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen den Luftverhältnissen λ6, λ7 des ersten und zweiten Abgasstrangs 6, 7. Das Luftverhältnis λ6 des ersten Abgasstrangs 6 ist auf der Abszisse, das Luftverhältnis λ7 des zweiten Abgasstrangs 7 ist auf der Ordinate aufgetragen.
  • Die Aufheizung des Katalysators 10 erfolgt durch eine exotherme Reaktion im Katalysator 10 selbst, ohne dass die gesamte Abgaskatalysatorvorrichtung aufgeheizt bzw. später abgekühlt werden muss.
  • 5 verdeutlicht die Vorteile der Nacheinspritzung im Expansionstakt (durchgezogene Linie NE) im Vergleich mit einer Anfettung im Homogenbetrieb (gestrichelte Linie). Bei der Nacheinspritzung im Expansionstakt wird deutlich weniger Wasserstoff gebildet als beim Anfetten im Homogenbetrieb, was sich in einer deutlich verringerten Bildung von unerwünschtem Schwefelwasserstoff und Ammoniak zeigt. Das Luftverhältnis der Haupteinspritzung war dabei stöchiometrisch und der Zeitpunkt der Nacheinspritzung (Kurve NE) lag bei 60°KW nach dem oberen Totpunkt.
  • 6 verdeutlicht das Funktionsprinzip der Desulfatierung, die vorzugsweise schichtweise erfolgt. Der Katalysator 10 ist in drei Zonen 101, 102, 103 aufgeteilt. Zunächst wird die erste Zone 101 des Katalysators 10 in der vorstehend beschriebenen Aufheizphase aufgeheizt. Aufgrund der axialen Wärmeleitung kann während der Aufheizphase der zweiten Zone 102 in der ersten Zone 101 bereits die Sulfatzersetzung beginnen. In dieser Phase kann die Sulfatzersetzung durch eine weitere Absenkung des Luftverhältnisses λ6 des ersten Abgasstrangs 6, d. h. eine Erhöhung der Nacheinspritzung realisiert werden. Das überstöchiometrische Luftverhältnis λ7 des zweiten Abgasstrangs 7 und somit die exotherme Reaktion im Katalysator 10 bleibt konstant. Der gleiche Vorgang setzt sich fort, bis auch die letzte Zone 103 des Katalysators 10 die Desulfatierungstemperatur erreicht hat. Die Sulfatzersetzung in der dritten Zone 103 kann nunmehr im Homogenbetrieb ohne Lambda-Split erfolgen, da eine weitere Aufheizung nicht erforderlich ist. Sobald die Sulfatzersetzung in der letzten Zone 103 des Katalysators 10 abgeschlossen ist, kann der Verbrennungsmotor 1 wieder stöchiometrisch betrieben werden.
  • 7a, b zeigt eine bevorzugte Regelstrategie zur Desulfatierung. Schematisch ist das Luftverhältnis λ11 vor dem Katalysator 10 über der Zeit aufgetragen. Vereinfachend wird ein konstanter Lastpunkt angenommen. Die Regelstrategie nutzt das chemische Gleich gewicht bei der Sulfatzersetzung. Problematisch bei der Desulfatierung ist die Reaktionskinetik. Die Sulfatzersetzung erfordert eine genaue Dosierung von Reduktionsmitteln und läuft wesentlich langsamer ab als etwa eine Nitratzersetzung bei einer üblichen Regeneration des als NOx-Katalysator ausgebildeten Katalysators 10. Ein Überangebot von Reduktionsmitteln führt sofort zu einer Emission von Schwefelwasserstoff (H2S). Der Reduktionsmittelbedarf pro Zeiteinheit nimmt mit zunehmender Desulfatierungsdauer aufgrund einer verlangsamten Desorption von in tiefer liegenden Schichten der Beschichtung des Katalysators 10 eingelagerten Sulfaten ab. Dieser chemische Zusammenhang ist in 7a als idealisiertes Äquivalent für den eingelagerten Schwefel dargestellt. Bei konstantem Abgasmassenstrom kann eine Reduzierung eines während der Sulfatzersetzungsphase zugeführten Reduktionsmittelsmassenstroms durch eine Reduzierung der Nacheinspritzung und somit des Luftverhältnisses λ11 vor dem Katalysator 10 realisiert werden. Der Verlauf des erforderlichen Luftverhältnisses λ11 ist stark von Parametern, wie Menge des eingelagerten Schwefels, Abgasmassenstrom, Reduktionsmittelangebot, Temperatur im Katalysator 10, abhängig. Optimal ist, für jeden Lastpunkt experimentell ein Kurvenverlauf des Luftverhältnisses λ11 zu ermitteln; dies ermöglicht eine Desulfatierung mit geringstem Zeitaufwand. Vorzugsweise wird jedoch jeweils eine Schar von Lastpunkten zusammengefasst und vereinfachend als Treppenfunktion dargestellt (7b). Eine Regelabweichung kann schneller kompensiert werden und ein Applikationsaufwand in der Motorsteuerung deutlich verringert werden.
    • 1
    Verbrennungsmotor
    2
    Zylinder
    3
    Zylinder
    4
    Zylinder
    5
    Zylinder
    6
    erster Abgasstrang
    7
    zweiter Abgasstrang
    8
    Dreiwegekatalysator
    9
    Dreiwegekatalysator
    10
    Katalysator
    11
    Abgasleitung
    12
    Eingang
    13
    Ausgang
    14
    Abgasleitung
    15
    Lambdasonde
    16
    Lambdasonde
    17
    Lambdasonde
    18
    Lambdasonde
    19
    Temperatursensor
    20
    NOx-Sensor
    λ
    Luftverhältnis

Claims (6)

  1. Verfahren zum Betreiben einer einem Verbrennungsmotor (1) nachgeschalteten Abgaskatalysatorvorrichtung mit zumindest einem mit Schwefel beladenen Katalysator (10), wobei der Katalysator (10) einer temperatur- und lambdageregelten Desulfatierung mit einer Aufheizphase und einer Sulfatzersetzungsphase unterzogen wird, wobei während der Aufheizphase des Katalysators (10) an dessen Eingang (12) ein stöchiometrisches Luftverhältnis (λ11) eingestellt wird, stromauf des Katalysators (10) ein erster Abgasstrang (6) mit einem wenigstens phasenweise unterstöchiometrischen (λ6) und ein zweiter Abgasstrang (7) mit einem überstöchiometrischen Luftverhältnis (λ7) betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Abgasstrang (6) bei einer Haupteinspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum von Zylindern (2,5) des Verbrennungsmotors (1) ein homogener Betrieb mit stöchiometrischem oder überstöchiometrischen Luftverhältnis (46 ) eingestellt wird und durch eine Nacheinspritzung in einem Expansionstakt das unterstöchiometrische Luftverhältnis (λ6) eingestellt wird, und wobei während der Sulfatzersetzungsphase das Luftverhältnis (λ11) am Eingang (12) des Katalysators (10) durch weiteres Absenken des Luftverhältnisses (λ6) durch eine Erhöhung der Nacheinspritzung in dem zumindest phasenweise unterstöchiometrisch betriebenen Abgasstrang (6) unterstöchiometrisch eingestellt wird, das überstöchiometrische Luftverhältnis (λ7) des zweiten Abgasstranges (7) konstant bleibt, und ein Reduktionsmittelmassenstrom zugeführt wird, der mit zunehmender Desulfatierungsdauer durch eine Reduzierung der Nacheinspritzung reduziert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nacheinspritzung im Expansionstakt des Verbrennungsmotors (1) im Bereich 10°KW bis 70°KW nach einem oberen Totpunkt einer Kurbelwelle erfolgt.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturgradient beim Aufheizen des Katalysators (10) durch einen Unterschied der unterstöchiometrischen und überstöchiometrischen Luftverhältnisse (λ6, λ7) im ersten und zweiten Abgasstrang (6, 7) eingestellt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zündwinkel von dem zumindest phasenweise unterstöchiometrisch betriebenen ersten Abgasstrang (6) zugeordneten Zylindern (2, 5) soweit nach spät verstellt wird, dass alle Zylinder (2, 5) eine gleiche Leistung abgeben.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zündwinkel von Zylindern (3, 4) des überstöchiometrisch betriebenen zweiten Abgasstrangs (7) leistungsoptimiert eingestellt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftverhältnis (λ13) stromab des Katalysators (10) stöchiometrisch eingestellt wird.
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