DE102004052062A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regenerierung von Speicherkatalysatoren - Google Patents

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Regenerierung von Speicherkatalysatoren im Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine (1), deren Lambda-Verhältnis regelbar ist, ist ein Speicherkatalysator (5) und eine Sekundärluftquelle (12), die verdichtete Frischluft zur Verfügung stellt, die vor dem Speicherkatalysator (5) dem Abgasstrom zugeführt werden kann, vorhanden. In einem ersten Schritt wird das Lambda-Verhältnis der Verbrennungskraftmaschine (1) auf unterstöchiometrisch für eine Regenerationsdauer eingestellt, um den Speicherkatalysator (5) zu regenerieren. In einem weiteren Schritt wird mehrfach eine solche Menge an Frischluft aus der Sekundärluftquelle (12) vor dem Speicherkatalysator (5) zugeführt, dass jeweils für einen Zeitraum ein überstöchiometrisches Lambda-Verhältnis in dem Speicherkatalysator (5) entsteht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regenerierung eines Speicherkatalysators, insbesondere Entschwefelung eines NOx-Speicherkatalysators, in einem Abgasstrang einer Diesel-Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
  • Bei der Verbrennung in Brennkraftmaschinen entstehen insbesondere bei höheren Verbrennungstemperaturen, insbesondere im Magerbetrieb von Magermotoren, unerwünschte Stickoxide, die nicht in die Umwelt gelangen dürfen. Es ist bekannt, die Entstehung der im Abgas enthaltenen Stickoxide mit Hilfe einer Abgasrückführung als innermotorische Maßnahme aufgrund der dadurch bedingten Herabsetzung der Verbrennungstemperatur zu verringern. Durch eine derartige Abgasrückführung wird jedoch der Partikelausstoß und der Verbrauch erhöht. Eine weitere wirksame Methode, den NOx-Ausstoß zu minimieren, ist der Einsatz eines NOx-Speicherkatalysators. Beim derzeitigen Stand der Technik sind dies Katalysatoren, die mit einer Dreiwegekomponente beschichtet sind (Platin/Rhodium/Palladium) und zusätzlich eine Speicherkomponente (beispielsweise Barium) aufweisen, um im mageren Motorbetrieb Stickoxide einzulagern.
  • Diese Speicherkomponente muss von Zeit zu Zeit von den Stickoxiden befreit werden, wenn die Speicherkapazität erschöpft ist. Dazu kann der Motor für kurze Zeit, beispielsweise 5 Sekunden, unterstöchiometrisch betrieben werden. Dabei werden die Stickoxide wieder zu Stickstoff reduziert. Vorzugsweise geschieht dies bei Temperaturen von 200 °C bis 350°C.
  • Da Kraftstoffe Schwefel beinhalten, der sich mit der Speicherkomponente Barium verbindet und somit die Bindung von Stickoxiden blockiert, muss diese Schwefeleinlagerung in der NOx-Speicherkomponente wieder beseitigt werden. Diese Entschwefelung ist nur bei deutlich höheren Temperaturen etwa von über 600°C und einer deutlich längeren Phase mit Kraftstoffüberschuß möglich, etwa mehr als 240 s.
  • Dabei kann es in dieser Regenerationsphase wegen des Sauerstoffmangels zur unerwünschten Emission von H2S kommen. Bei Ottomotoren ist zur Vermeidung dieser unerwünschten Emission das sogenannte λ-Wobbeln, d.h. ein periodisches Schwingen um den Wert λ = 1, Stand der Technik und wird bereits bei Serienfahrzeugen bei der Entschwefelung eingesetzt.
  • Aus der DE 102 61 877 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, eines Kraftfahrzeuges bekannt, bei dem ein im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneter Partikelfilter bedarfsweise regeneriert wird. Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird über eine vorbestimmte Zeitdauer ein Lambda-Wert eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses zwischen einem Wert kleiner 1 und einem Wert grösser 1 derart periodisch hin und her geändert, dass die Temperatur des Partikelfilters mittels einer Abgaserhitzung auf einen Wert erhöht wird, bei dem eine Regeneration des Partikelfilters erfolgt.
  • Nachteilig an dem genannten Stand der Technik ist, dass speziell beim Dieselmotor verfahrensbedingt der unterstöchiometrische Motorbetrieb des Dieselverfahrens nur bedingt möglich und an enge Randbedingungen gebunden ist. Insbesondere kann nicht davon ausgegangen werden, dass der Fahrer einen Betriebspunkt während der Entschwefelungsdauer konstant hält. Die Kombination der Leistungsanforderung im aktuellen Betriebspunkt mit dem periodischen Steuern des Lambda-Werts um 1 erfordert eine sehr komplexen Regelung und Applikation.
  • Aus der DE 10053674 ist ein Verfahren zur Temperierung und insbesondere zur Kühlung eines in einem Abgasstrang von einer Verbrennungskraftmaschine zu einem Katalysator geführten Abgasstroms mittels mindestens eines abgezweigten Ladeluftteilstroms eines der Verbrennungskraftmaschine zugeordneten Abgasturboladers bekannt. Der abgezweigte Ladeluftteilstrom wird wenigstens teilweise derart mittels eines Wärmetauschelements auf eine vorgebbare Betriebstemperatur eingestellt, dass der Katalysator innerhalb eines vorgebbaren Temperaturbereichs betreibbar ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist aus der DE 10053674 ein Verfahren bekannt, bei dem der abgezweigte Ladeluftteilstrom in Abgasströmungsrichtung vor dem Katalysator in den Abgasstrom eingeblasen wird, um die Temperatur des Katalysators zu regeln.
  • Nachteilig an dem bekannten Verfahren ist, dass es nicht die Bildung von H2S verhindern kann, da nur eine Temperaturregelung erfolgt, insbesondere zur Kühlung des Katalysators.
    •
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der man einen Speicherkatalysator regenerieren, insbesondere einen NOx-Speicherkatalysator entschwefeln kann, ohne dass es zur Bildung von unerwünschtem H2S kommt.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 10 gelöst. Durch die Unteransprüche werden weitere günstige Ausführungsbeispiele und Fortbildungen der Erfindung angegeben.
  • Hierzu ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend dem Anspruch 1 zur Regenerierung von Speicherkatalysatoren im Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine, deren Lambda-Verhältnis regelbar ist, mit einem Speicherkatalysator und einer Sekundärluftquelle, die verdichtete Frischluft zur Verfügung stellt, vorgesehen, dass die Frischluft vor dem Speicherkatalysator dem Abgasstrom zugeführt werden kann. In einem ersten Schritt wird das Lambda-Verhältnises der Verbrennungskraftmaschine auf unterstöchiometrisch für eine Regenerationsdauer eingestellt, um den Speicherkatalysator zu regenerieren, und in einem weiteren Schritt mehrfach einer solchen Menge an Frischluft aus der Sekundärluftquelle vor dem Speicherkatalysator zugeführt, dass jeweils für einen Zeitraum ein überstöchiometrisches Lambda-Verhältnis in dem Speicherkatalysator entsteht.
  • Vorteilhaft kann dadurch bei der Regenerierung von Speicherkatalysatoren die Bildung von unerwünschten Verbindungen verhindert werden, wenn zu entfernende Stoffe durch das kurzfristige Sauerstoffangebot aufoxidiert werden können. Das Verfahren kann günstig auch bei Dieselmotoren angewandt werden, bei denen ein Wobbeln des Lambda-Werts durch Steuerung der Verbrennungskraftmaschine nur schwierig umzusetzen ist, da das Wobbeln des Lambda-Werts allein durch die Zuführung zusätzlicher Frischluft erfolgt und der Dieselmotor nur konstant in einem unterstöchiometrischen Betriebszustand gehalten werden muss.
  • Vorteilhaft wird in einem ersten Schritt vor dem Regenerieren des Speicherkatalysators das Lambda-Verhältnises der Verbrennungskraftmaschine auf überstöchiometrisch eingestellt, um den Speicherkatalysator auf eine erforderliche Regenerationsstemperatur aufzuheizen.
  • Dadurch wird die Regenerierung der Beladung des Speicherkatalysators mit bestimmten Stoffen, wie etwa bei Schwefel, erst ermöglicht, die eine hohe Temperatur erfordert.
  • In günstiger Ausführungsform wird die Temperatur des Speicherkatalysators durch einen vor diesem angeordneten Temperatursensor gemessen.
  • Durch die Messung der Temperatur des Abgasstroms vor dem Speicherkatalysator erhält man auch die Temperatur des Speicherkatalysator selbst.
  • Vorzugsweise ist der Speicherkatalysator ein NOx-Speicherkatalysator, der bei der Regenerierung entschwefelt wird. Ein günstiger Anwendungsbereich des Verfahrens sind NOx-Speicherkatalysatoren um eine unerwünschte Bildung von H2S bei der Regenerierung bzw. Entschwefelung zu verhindern.
  • Vorteilhaft kann der Grad der Anlagerung von Schwefel in dem NOx-Speicherkatalysator durch Messen des NOx-Gehalts durch einen nach dem Speicherkatalysator angeordneten NOx-Sensor bestimmt wird.
  • Dadurch erfolgt eine Regenerierung nur im Bedarfsfall, wenn durch die Schwefelanlagerung kein NOx mehr aufgenommen werden kann.
  • Der Zeitpunkt einer nötigen Regenerierung kann in günstiger Ausführungsform durch ein rechnerisches Modell bestimmt werden. Durch die zumeist überdies zur Verfügung stehende Rechenleistung von Motorsteuerungen kann auf einfache kostengünstige Weise der Bedarf für eine Regenerierung des Speicherkatalysators bestimmt werden.
  • Die Sekundärluftquelle kann ein abgezweigter Ladestrom eines Abgasturboladers und/oder eines Kompressors sein.
  • Bei aufgeladenen Motoren steht somit eine sekundäre Frischluftquelle ohne weiteren Bauaufwand oder Kosten zur Verfügung. Insbesondere sind die meisten Dieselmotoren durch einen Abgasturbolader aufgeladen.
  • In günstiger Ausführungsform kann stromab des Speicherkatalysators mittels einer Sonde der Sauerstoffgehalt des Abgases gemessen werden und bei dem mehrfachen Zuführen von Frischluft jeweils solange Frischluft zugeführt werden, bis nach dem Speicherkatalysator ein überstöchiometrisches Lambda-Verhältnis gemessen wird. Anschließend wird wieder solange weniger oder keine Frischluft zugeführt, bis nach dem Speicherkatalysator ein unterstöchiometrisches Lambda-Verhältnis gemessen wird und der Ablauf beginnt von vorne.
  • Weiter wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 10 gelöst. Eine Vorrichtung zur Abgasreinigung von Verbrennungskraftmaschinen weist eine in ihrem Lambdaverhältnis regelbare Verbrennungskraftmaschine, einen Speicherkatalysator, eine vor diesem angeordneten Lambda-Sonde und einer Sekundärluftquelle, die verdichtete Frischluft zur Verfügung stellt auf, die vor dem Speicherkatalysator dem Abgasstrom über ein Regelventil zugeführt werden kann. In dieser Vorrichtung wird eines der oben beschriebenen Verfahren zur Regenerierung von Speicherkatalysatoren durchgeführt.
  • Vorteilhaft müssen nur wenig zusätzliche Bauteile gegenüber einer herkömmlichen Abgasreinigungsvorrichtung nach dem Stand der Technik vorgesehen werden.
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend in einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel mit Hilfe der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand einer schematischen Darstellung und
  • 2 ein Abgasemissionsdiagramm des ersten Ausführungsbeispiels.
  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abgasreinigung von Verbrennungskraftmaschinen anhand einer schematischen Darstellung. Eine Verbrennungskraftmaschine 1 ist über einen Abgaskrümmer 2 mit einem Turbolader 3 verbunden. Über ein Abgasrohr 4 ist der Turbolader 3 mit einem NOx-Speicherkatalysator 5 verbunden. Vor dem NOx-Speicherkatalysator 5 sind in dem Abgasrohr 4 eine Breitband-Lambdasonde 6 und ein Abgastemperaturfühler 7 angeordnet. Über einen Luftmassenmesser 8 und ein Ansaugrohr 9 wird der Verbrennungskraftmaschine 1 von dem Turbolader 3 verdichtete Frischluft als Ladeluft zugeführt. In dem Ansaugrohr 9 ist eine Drosselklappe 10 zur Regelung der Motorleistung angeordnet. Über ein Abgasrückführventil 11 kann Abgas aus dem Abgaskrümmer 2 in das Ansaugrohr 9 zurückgeführt werden, um Schadstoffwerte günstig zu beeinflussen. Dadurch erhöhen sich jedoch die NOx-Werte. Über ein Wobbelventil 13 als Sekundärluftventil und eine Sekundärluftleitung 14 kann verdichtete Frischluft aus einer Sekundärluftquelle 12 in das Abgasrohr 4 vor dem NOx-Speicherkatalysator 5 zugeführt und dem Abgas zugemischt werden. Die Sekundärluftquelle 12 kann, wie durch eine gestrichelt dargestellte Sekundärluftzuleitung 15 verdeutlicht, aus einem abgetrennten Zuluftstrom der Ladeluft in dem Ansaugrohr 9 bestehen, die durch den Turbolader 3 verdichtet wird. Ein NOx-Sensor 16 ist nahe dem NOx-Speicherkatalysator 5 in dem Abgasstrang angeordnet. Die Breitband-Lambdasonde 6, der Abgastemperaturfühler 7, der NOx-Sensor 16 sowie der Luftmassenmesser 8 geben ihre Messergebnisse an eine zentrale Steuereinheit 17 mittels als gestrichelte Pfeile dargestellter Leitungen weiter. Die zentrale Steuereinheit 17 steuert über wiederum als gestrichelte Pfeile dargestellte Steuerleitungen die Drosselklappe 10, das Abgasrückführventil 11, den Turbolader 3, das Wobbelventil 13 und die Verbrennungskraftmaschine 1.
  • Wird eine zunehmende Anlagerung von Schwefel in dem NOx-Speicherkatalysator 5 erkannt, indem durch den NOx-Sensor 16 eine Abnahme der Wirksamkeit des NOx-Speicherkatalysators 5 beispielsweise auch direkt nach einer NOx-Regenerierung erkannt wird, so wird eine Schwefelregenerierung eingeleitet. Alternativ kann auch nach einem berechneten Modell abhängig von Belastung, Betriebsstunden und weiterer Parameter eine Schwefelregenerierung erfolgen, wenn sie von dem Modell berechnet vorgegeben wird. Zunächst wird von der zentralen Steuereinheit 17 die Verbrennungskraftmaschine 1 so angesteuert, dass ein leicht überstöchiometrisches Abgasgemisch entsteht. In diesem Betriebszustand erfolgt eine Aufheizung des NOx-Speicherkatalysators 5 auf über 600 °C. Danach wird von der zentralen Steuereinheit 17 auf ein konstantes unterstöchiometrisches Luftverhältnis umgeschaltet, bei dem das Abgas nach der Verbrennungkraftmaschine 1 keinen Sauerstoff mehr enthält. Dies wird durch die zentrale Steuereinheit 17 mit Hilfe der Messwerte der Breitband-Lambdasonde 6 vor dem NOx-Speicherkatalysator 5 überwacht. Die Temperatur wird über den Abgastemperaturfühler 7 überwacht. Nach Erreichen der Entschwefelungstemperatur und dem Einstellen eines unterstöchiometrischen Luftverhältnisses wird mit dem Wobbeln, dem periodischen Schwingen um den Wert 1 des Lambdaverhältnisses begonnen. Hierzu wird das Wobbelventil 13, derart betätigt, dass mit Hilfe von Sekundärluft, die in das Abgas in dem Abgasrohr 4 vor dem NOx-Speicherkatalysator 5 eingeleitet wird, das Gesamtluftverhältnis abgemagert wird (λMotot < 1.0, λgesamt > 1.0). Stromab des NOx-Speicherkatalysators 5 wird der Restsauerstoffgehalt des Abgases nochmals gemessen und somit erfasst, wann ein unterstöchiometrisches und somit fettes oder ein überstöchiometrisches und somit mageres Abgas aus dem NOx-Speicherkatalysator 5 austritt. Aufgrund der Sauerstoffspeicherfähigkeit der Katalysatoren erfolgt das Austreten von magerem Abgas, der so genannte Magerdurchbruch, nicht unmittelbar nach der Abmagerung bzw. Sekundärlufteinblasung, sondern zeitversetzt. Das Wobbelventil 13 wird genau so lange geöffnet, bis ein Mager-Durchbruch stromab des NOx-Speicherkatalysators 5 erfasst wird. Nun wird das Wobbelventil 13 geschlossen und der NOx-Speicherkatalysator 5 wird wieder mit unterstöchiometrischem Abgas durchströmt, bis nach dem NOx-Speicherkatalysator wieder ein Fett-Durchbruch detektiert wird. Das Wobbelventil 13 wird wieder geöffnet und der Vorgang beginnt erneut. Diese zyklische Ansteuerung führt zu einem periodischen Schwingen ober- und unterhalb eines stöchiometrisches Gesamtluftverhältnisses. Die unterstöchiometrische Abgas-zusammensetzung wird durch die Ansteuerung der Verbrennungskraftmaschine 1 vorgegeben, die überstöchiometrische Abgaszusammensetzung durch die periodische Beimischung der Zusatzluft. Dem NOx-Speicherkatalysator 5 wird in kurzen Zeitperioden immer wieder Sauerstoff angeboten und somit ein Austrag von Schwefel in Form von H2S wirkungsvoll unterdrückt. Die Schwefelemission erfolgt bei diesem Verfahren vornehmlich in Form von SO2.
  • 2 zeigt in einem Diagramm die Emmission von SO2 und H2S im zeitlichen Verlauf. Die Emissionswerte sind in ppm angegeben und die Zeitachse in Sekunden. Dabei stellt die obere Linie die SO2-Emission und die untere die H2S-Emission dar. Deutlich ist der periodische Verlauf der SO2-Emission zu erkennen und dass die eine H2S-Emission nur in geringem Umfang auftritt.
    • 1
    Verbrennungskraftmaschine
    2
    Abgaskrümmer
    3
    Turbolader
    4
    Abgasrohr
    5
    NOx-Speicherkatalysator
    6
    Breitband-Lambdasonde
    7
    Abgastemperaturfühler
    8
    Luftmassenmesser
    9
    Ansaugrohr
    10
    Drosselklappe
    11
    Abgasrückführventil
    12
    Sekundärluftquelle
    13
    Wobbelventil
    14
    Sekundärluftleitung
    15
    Sekundärluftzuleitung
    16
    NOx-Sensor
    17
    zentrale Steuereinheit

Claims (10)

  1. Verfahren zur Regenerierung von Speicherkatalysatoren im Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine, (1) deren Lambda-Verhältnis regelbar ist, mit einem Speicherkatalysator (5) und einer Sekundärluftquelle (12), die verdichtete Frischluft zur Verfügung stellt, die vor dem Speicherkatalysator (5) dem Abgasstrom zugeführt werden kann, mit den Schritten, Einstellen des Lambda-Verhältnises der Verbrennungskraftmaschine (1) auf unterstöchiometrisch für eine Regenerationsdauer, um den Speicherkatalysator (5) zu regenerieren, und mehrfaches Zuführen einer solchen Menge an Frischluft aus der Sekundärluftquelle (12) vor dem Speicherkatalysator (5), dass jeweils für einen Zeitraum ein überstöchiometrisches Lambda-Verhältnis in dem Speicherkatalysator (5) entsteht.
  2. Verfahren zur Regenerierung von Speicherkatalysatoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt vor dem Regenerieren des Speicherkatalysators (5) das Lambda-Verhältnises der Verbrennungskraftmaschine auf überstöchiometrisch eingestellt wird, um den Speicherkatalysator (5) auf eine Regenerationstemperatur aufzuheizen,
  3. Verfahren zur Regenerierung von Speicherkatalysatoren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Speicherkatalysators (5) durch einen vor diesem angeordneten Abgastemperatursensor (7) gemessen wird.
  4. Verfahren zur Regenerierung von Speicherkatalysatoren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherkatalysator (5) ein NOx-Speicherkatalysator (5) ist, der bei der Regenerierung entschwefelt wird.
  5. Verfahren zur Regenerierung von Speicherkatalysatoren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Grad der Anlagerung von Schwefel in dem NOx-Speicherkatalysator (5) durch Messen des NOx Gehalts des Abgases durch einen nach dem Speicherkatalysator angeordneten NOx Sensor (16) bestimmt wird.
  6. Verfahren zur Regenerierung von Speicherkatalysatoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt einer nötigen Regenerierung durch ein rechnerisches Modell bestimmt wird.
  7. Verfahren zur Regenerierung von Speicherkatalysatoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluftquelle (12) ein abgezweigter Ladestrom eines Abgasturboladers (3) ist.
  8. Verfahren zur Regenerierung von Speicherkatalysatoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärluftquelle ein abgezweigter Ladestrom eines Kompressors ist.
  9. Verfahren zur Regenerierung von Speicherkatalysatoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Speicherkatalysators (5) mittels einer Sonde der Sauerstoffgehalt des Abgases gemessen wird und bei dem mehrfachen Zuführen von Frischluft jeweils solange Frischluft zugeführt wird, bis nach dem Speicherkatalysator (5) ein überstöchiometrisches Lambda-Verhältnis gemessen wird, und sodann wieder solange weniger oder keine Frischluft zugeführt wird, bis nach dem Speicherkatalysator (5) ein unterstöchiometrisches Lambda-Verhältnis gemessen wird.
  10. Vorrichtung zur Abgasreinigung von Verbrennungskraftmaschinen mit einer in ihrem Lambdaverhältnis regelbaren Verbrennungskraftmaschine (1), einem Speicherkatalysator (5), einer vor diesem angeordneten Lambda-Sonde und einer Sekundärluftquelle (12), die verdichtete Frischluft zur Verfügung stellt, die vor dem Speicherkatalysator (5) dem Abgasstrom über ein Regelventil (13) zugeführt werden kann, wobei ein Verfahren zur Regenerierung von Speicherkatalysatoren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auf dieser abläuft.
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