DE102006035283A1 - Verfahren zur Bestimmung der Schwefelentladung eines NOx-Speicherkatalysators - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung der Schwefelentladung eines NOx-Speicherkatalysators Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Schwefelentladung eines NO<SUB>x</SUB>-Speicherkatalysators in einer Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine, wobei zur Schwefelentladung Bedingungen in der Brennkraftmaschine eingestellt werden, bei denen ein Reduktionsmittelüberschuss in der Brennkraftmaschine erzeugt wird, wobei in einer SO<SUB>x</SUB>-Entladungsberechnung modellhaft aus dem Reduktionsmittelstrom und aus weiteren Betriebsparametern der Brennkraftmaschine eine SO<SUB>x</SUB>-Entladungsmenge bestimmt wird. Damit können für die SO<SUB>x</SUB>-Entladungsberechnung dynamische Effekte bei einer Entschwefelung des NO<SUB>x</SUB>-Speicherkatalysators besser berücksichtigt werden und damit die anschließende Wirkung des NO<SUB>x</SUB>-Speicherkatalysators auf die Reduzierung der Stickoxide im Abgas genauer vorhergesagt werden, was die Prozessführung effizienter und damit verbrauchsgünstiger gestaltet.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Schwefelentladung eines NOx-Speicherkatalysators in einer Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine, wobei zur Schwefelentladung Bedingungen in der Brennkraftmaschine eingestellt werden, bei denen ein Reduktionsmittelüberschuß in der Brennkraftmaschine erzeugt wird.
  • Bei Dieselmotoren werden aufgrund der Anforderungen hinsichtlich niedriger Emissionsgrenzwerte verstärkt beispielsweise kombinierte Abgasnachbehandlungssysteme mit Partikelfilter (DPF) und NOx-Speicherkatalysatoren (NSC) geplant bzw. schon eingesetzt. Partikelfilter weisen allerdings eine begrenzte Speicherfähigkeit auf und müssen zur Wiederherstellung der Reinigungswirkung in bestimmten Abständen regeneriert werden. Dies geschieht typischerweise alle 250 bis 1000 km, wobei durch Maßnahmen in der Gemischaufbereitung des Motors oder durch nachmotorische Maßnahmen die Regeneration durch eine Erhöhung der Abgastemperatur auf typischerweise 550°C bis 650°C eingeleitet wird. Es wird dabei eine exotherme Reaktion angestoßen, die einen Abbrand der Rußpartikel bewirkt und innerhalb einiger Minuten (z.B. 20 Minuten) den Partikelfilter regeneriert.
  • Beim Betrieb eines NOx-Speicherkatalysators im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors speichert dieser das im Abgas enthaltene Stickoxid ganz oder zumindest teilweise ein, so lange im Abgas ein Sauerstoffüberschuss, d.h. ein Magerbetrieb mit einem Lambda-Wert von λ > 1 vorherrscht. Außerdem hängt die Einspeichereigenschaft noch von weiteren Betriebsparametern, wie der Temperatur des Speichermaterials, dem Abgasvolumenstrom und dem Füllgrad des Speichers ab. Zudem unterliegt die Fähigkeit, Stickoxide einzuspeichern einem Alterungsprozess, der vor allem durch hohe Betriebstemperaturen verursacht wird.
  • Die vom NOx-Speicherkatalysator während des Magerbetriebs des Motors eingespeicherten Stickoxide werden beim so genannten NOx-Regenerierungsvorgang aus dem Speichermaterial freigesetzt und mit einem geeigneten Reduktionsmittel zu Stickstoff umgesetzt. Dazu wird der Verbrennungsmotor kurzzeitig mit einem Kraftstoffüberschuss betrieben, oder aber ein Reduktionsmittel in Strömungsrichtung vor dem NOx-Speicherkatalysator zudosiert. Eine solche Regeneration muss üblicherweise nach Ablauf weniger Minuten durchgeführt werden.
  • Neben der Eigenschaft, Stickoxide aus dem Magerabgas zu binden, nimmt das Speichermaterial auch im Abgas enthaltene Schwefeloxide (SOx) auf. Je nach Schwefelgehalt des verwendeten Kraftstoffes und Motoröls wird dabei eine unterschiedliche Menge an Schwefel im NOx-Speicherkatalysator eingelagert. Dieser Schwefel reduziert die Anzahl an NOx-Speicherstellen im Katalysator und verschlechtert somit die Effizienz des NOx-Speicherkatalysators (NSC). Man spricht auch in diesem Zusammenhang von einer Schwefelvergiftung des NOx-Speicherkatalysators. Bei den während des oben beschriebenen NOx-Regenerierungsvorgangs üblicherweise vorherrschenden Temperaturen von ca. 200 bis 600°C gelingt es jedoch nicht, die Bindungen des Schwefels an das Speichermaterial aufzubrechen.
  • Folglich sammelt sich auch beim Betrieb des Motors mit besonders schwefelarmen Kraftstoff (typisch 10 ppm) aus der Kraftstoff- und Motorölverbrennung eine so große Menge an Schwefel im Speichermaterial an, dass das Abgasnachbehandlungssystem die geforderten Stickoxidumsätze zur Einhaltung der Emissionsgrenzwerte nicht mehr erreicht. Aus diesem Grunde muss regelmäßig eine Entschwefelung (=DeSOx) des NOx-Speicherkatalysators durchgeführt werden, um der damit verbundenen Verschlechterung des NOx-Einspeichervermögens entgegen zu wirken.
  • Bei Verwendung von schwefelarmem Kraftstoff (10 ppm) erfordert der nachlassende Umsatz des NSC ein solches DeSOx etwa alle 2000 bis 5000 km. Dabei wird das Abgassystem, wie bei der Partikelfilter-Regeneration, ebenfalls auf ein hohes Temperaturniveau aufgeheizt, wobei das Temperaturniveau in diesem Fall im NOx-Speicherkatalysator typischerweise zwischen 600 und 800°C liegt. Zusätzlich wird nach Erreichen dieses Temperaturniveaus durch Phasen mit fettem Abgasgemisch (λ ≤ 1), d.h. mit einem Überschuss an CO/HC und H2 gegenüber O2 Bedingungen geschaffen, bei denen der Schwefel NOx-Speicherkatalysator ausgetrieben werden kann. Dabei werden die Schwefelbindungen im Speichermaterial aufgebrochen und die Schwefelverbindungen z.B. in Form von Schwefeldioxid (SO2), Carbonylsulfid (COS) und/oder Schwefelwasserstoff (H2S) ausgetrieben. Von den genannten Verbindungen ist allerdings nur das Schwefeldioxid (SO2) als Emission akzeptabel. Daher muss entweder die Abgaszusammensetzung beim Regenerationsbetrieb geeignet zusammengesetzt sein oder die Prozessführung mit einer geeigneten Zeitsteuerung versehen werden, um insbesondere die Freisetzung von Schwefelwasserstoff (H2S) zu vermeiden.
  • Bei der Prozessführung besteht in der Praxis die Problematik, dass durch instationärem Betrieb des Motors bzw. durch wechselnde Fahrbedingungen die Bedingungen insbesondere bezüglich
    • • der Reduktionsmittelzusammensetzung im Fettgas,
    • • der Temperatur des NOx-Speicherkatalysators und
    • • des Abgasmassenstroms
    niemals konstant sind. Bei der reinen Zeitsteuerung des Entschwefelungsprozesses wird nach einer bestimmten Mindest-Prozessdauer ein vollständiger Austrag des Schwefels aus dem NOx-Speicherkatalysator angenommen. Bei vorzeitigem Abbruch des Prozesses kann zwar ein teilweiser Schwefelaustrag berechnet werden, was allerdings bei einer reinen Zeitsteuerung gemäß dem Stand der Technik nur bei stationären Betriebsbedingungen des Motors hinreichend genau ist.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung der Schwefelentladung eines NOx-Speicherkatalysators bereitzustellen, um die Wirkung des durch den Entschwefelungsprozess ausgelösten Schwefelaustrags bei diesen nicht stationären Bedingungen besser abschätzen zu können.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass in einer SOx-Entladungsberechnung modellhaft aus dem Reduktionsmittelstrom und aus weiteren Betriebsparametern der Brennkraftmaschine eine SOx-Entladungsmenge bestimmt wird. Mit diesem Verfahren können dynamische Effekte bei einer Entschwefelung des NOx-Speicherkatalysators besser berücksichtigt werden und damit die anschließende Wirkung des NOx-Speicherkatalysators auf die Reduzierung der Stickoxide im Ab gas genauer vorhergesagt werden, was die Prozessführung effizienter und damit verbrauchsgünstiger gestaltet.
  • Wird dabei der Reduktionsmittelstrom im Abgas während der Schwefelentladung aus einem Reduktionsmittel-Kennfeld bestimmt, welches vom Betriebszustand, von einer Drehzahl und von einem Moment der Brennkraftmaschine aufgespannt wird, ergibt sich der Vorteil, dass der Reduktionsmittelstrom, der zur Entschwefelung notwendig ist, sehr genau vorhersagbar ist. Bereits hierbei können dynamische Bedingungen hinsichtlich der Bestimmung des Reduktionsmittelstromes berücksichtigt werden.
  • Bei den Betriebsbedingungen für den Entschwefelungsvorgang muss ein bestimmter Lambda-Wert eingestellt werden. Bei Nichterreichen der Sollwerte für den Lambda-Wert oder beim dynamischen Betrieb kann es vorkommen, dass dadurch ein höherer oder niedrigerer Reduktionsmittelstrom im Abgas generiert wird, der die Schwefelaustragsberechnung verfälschen würde. Es ist daher vorteilhaft, wenn der Reduktionsmittelstrom mit einer Lambda-Korrektur korrigiert wird, die aus einer Abweichung aus einem Soll-Lambdawert und einem Ist-Lambdawert berechnet wird.
  • Im Hinblick auf die Vermeidung von Schwefelwasserstoff (H2S) sieht eine bevorzugte Verfahrensvariante vor, dass der mit der Lambda-Korrektur korrigierte Reduktionsmittelstrom integriert und bei Erreichen eines vorgebbaren Reduktionsmittelschwellwertes die Betriebsbedingungen zur Erzeugung des Reduktionsmittelstromes im Abgas nach einer vorgebbaren Zeit beendet werden.
  • Das Lösen der chemischen Bindung des Schwefels an das Speichermaterial ist eine stark temperaturabhängige Reaktion, so dass es besonders vorteilhaft ist, wenn der Reduktionsmittelstrom mit einer Temperatur-Korrektur korrigiert wird, die aus der Temperatur des NOx-Speicherkatalysators berechnet wird. Damit kann insbesondere die temperaturabhängige Effizienz der Entschwefelung entsprechend berücksichtigt werden.
  • Eine Verfahrensvariante sieht zusätzlich vor, dass die Temperatur-Korrektur bestimmt wird, indem die Entschwefelung wiederholt bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt und die Wirkung verglichen wird. Damit können auch zusätzlich alterungsbedingte Effekte erkannt und entsprechend adaptiert werden.
  • Zu Beginn eines Entschwefelungsprozesses trifft das Reduktionsmittel im NOx-Speicherkatalysator zunächst auf große Mengen oberflächlich angelagerter Schwefelkomponenten. Im weiteren Verlauf des Prozesses muss das Reduktionsmittel tiefer in das Speichermaterial eindringen, um auf weitere Schwefelverbindungen zu treffen. Daher klingt die Höhe des Schwefelaustrages zeitlich exponentiell ab, obwohl alle anderen Betriebsparameter, wie sie bereits oben beschrieben wurden, gleich bleiben. Um dieses Verhalten modellhaft nachzubilden, ist es vorteilhaft, wenn der Reduktionsmittelstrom mit einer den Entschwefelungsprozess betreffenden DeSOx-Fortschrittkorrektur korrigiert wird, die proportional aus der Dauer der Entschwefelung berechnet wird.
  • Eine vorteilhafte Verfahrensvariante sieht vor, dass die SOx-Entladungsberechnung als Software in einem Motorsteuergerät durchgeführt wird. Damit können sehr flexibel Änderungen in der Berechnungsstrategie des Schwefelaustrags durch entsprechende Software-Updates durchgeführt werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasnachbehandlungsanlage als Anwendungsbeispiel des Verfahrens,
  • 2 eine schematische Darstellung der SOx-Entladungsberechnung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt beispielhaft ein technisches Umfeld, in welchem das erfindungsgemäße Verfahren abläuft. In der Figur ist eine Brennkraftmaschine 1, bestehend aus einem Motorblock 40 und einem Zuluftkanal 10, der den Motorblock 40 mit Verbrennungsluft versorgt, dargestellt, wobei die Luftmenge im Zuluftkanal 10 mit einer Zuluftmesseinrichtung 20 bestimmbar ist. Das Abgas der Brennkraftmaschine 1 wird dabei über eine Abgasreinigungsanlage geführt, welche als Haupt komponenten im gezeigten Beispiel einen Abgaskanal 50 aufweist, in dem in Strömungsrichtung des Abgases ein Partikelfilter 70 (DPF) und anschließend ein NOx-Speicherkatalysator 90 angeordnet sind. Ferner ist am Motorblock 40 eine Kraftstoffzumesseinrichtung 30 in Form eines Dieseleinspritzsystems vorgesehen, welches über ein Motorsteuergerät 110 geregelt bzw. angesteuert wird.
  • Die Regelung eines Arbeitsmodus der Brennkraftmaschine 1 kann anhand von ausgewählten Betriebsparametern erfolgen. So ist beispielsweise denkbar, mittels im Abgaskanal 50 angeordneten Lambda-Sonden 60 und/oder NOx-Sensoren 100 eine Zusammensetzung des Abgases zu bestimmen. Weiterhin kann beispielsweise eine Abgastemperatur im Bereich der Abgasreinigungsanlage, z.B. zwischen dem Partikelfilter 70 und dem NOx-Speicherkatalysator 90, mittels ein oder mehrerer Temperatursonden 80 bestimmt werden. Aus den Signalen der verschiedenen Sonden 60, 80, 100, die mit dem Motorsteuergerät 110 verbunden sind, sowie aus den Daten der Zuluftmesseinrichtung 20 kann das Gemisch berechnet und die Kraftstoffzumesseinrichtung 30 zur Zudosierung von Kraftstoff entsprechend angesteuert werden. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass eine SOx-Entladungsberechnung 120 als Software in dem Motorsteuergerät 110 durchgeführt wird.
  • Der Austrag von Schwefel bei einem zur Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 90 notwendigen Entschwefelungsprozesses (DeSOx-Prozess) ist im Wesentlichen von
    • • der Reduktionsmittelzusammensetzung im Fettgas,
    • • der Temperatur des NOx-Speicherkatalysators 90,
    • • dem Abgasmassenstrom,
    • • der insgesamt eingespeicherten Schwefelmenge und
    • • dem Fortschritt des Prozesses
    abhängig, wobei sich beim Entschwefelungsprozess all diese Parameter ständig ändern.
  • Ein geeignetes Entladungsmodell behandelt die Abhängigkeit des Schwefelaustrages von den Bedingungen, wie es in einem Ablaufdiagram in 2 schematisch dargestellt ist.
  • Das Erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass zur Schwefelentladung Bedingungen im Abgas eingestellt werden, bei denen ein Reduktionsmittelstrom 122 im Abgas erzeugt wird. Dabei wird eine SOx-Entladungsmenge 126 modellhaft aus einem Reduktionsmittelstrom 122 und aus weiteren Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 1 bestimmt, wobei der Reduktionsmittelstrom 122 im Abgas während der Schwefelentladung aus einem Reduktionsmittel-Kennfeld 121 bestimmt wird, welches vom Betriebszustand, von einer Drehzahl und von einem Moment der Brennkraftmaschine 1 aufgespannt wird.
  • In einem ersten Korrekturschritt ist vorgesehen, dass der Reduktionsmittelstrom 122 mit einer Lambda-Korrektur 123 korrigiert wird, die aus einer Abweichung aus einem Soll-Lambdawert, der für die Entschwefelung auf und einem Ist-Lambdawert berechnet wird. In dieser Entschwefelungsphase kann durch das kurzzeitige Anfetten des Abgases (λ < 1) ein signifikantes Austreiben des Schwefels aus dem NOx-Speicherkatalysator 90 beobachtet werden. Die Lambda-Korrektur 123 berücksichtigt daher eine Lambdaabweichung vom Soll-Lambdawert, die auftritt, wenn insbesondere beim dynamischen Betrieb der gewünschte Lambda-Wert nicht erreicht wird und dadurch der Reduktionsmittelstrom 122 von der idealen Abgaszusammensetzung abweicht.
  • Eine Verfahrensvariante sieht dabei vor, dass der mit der Lambda-Korrektur 123 korrigierte Reduktionsmittelstrom 122 integriert und bei Erreichen eines vorgebbaren Reduktionsmittelschwellwertes 127 die Betriebsbedingungen zur Erzeugung des Reduktionsmittelstromes im Abgas nach einer vorgebbaren Zeit beendet werden, d.h. der Fettbetrieb vor einer Freisetzung von Schwefelwasserstoff (H2S) beendet wird.
  • In einem weiteren Schritt ist vorgesehen, dass der Reduktionsmittelstrom 122 mit einer Temperatur-Korrektur 124 korrigiert wird, die aus der Temperatur des NOx-Speicherkatalysators 90 berechnet wird. Dazu ist es vorteilhaft, wenn die Temperatursonde 80 thermisch an den NOx-Speicherkatalysator 90 angekoppelt ist. Diese Temperatur-Korrektur 124 kann bestimmt werden, indem die Entschwefelung wiederholt bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt und die Wirkung verglichen wird.
  • In einem dritten Schritt sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass der Reduktionsmittelstrom 122 mit einer den Entschwefelungsprozess betreffenden DeSOx-Fortschrittkorrektur 125 korrigiert wird, die proportional aus der Dauer der Entschwefelung berechnet wird, wodurch das Eindringverhalten des Reduktionsmittelstromes 122 in den NOx-Speicherkatalysator 90 abgebildet wird, welches sich mit fortschreitender Zeit stetig ändert.
  • Mit dem beschriebenen Verfahren für die SOx-Entladungsberechnung 120 können dynamische Effekte bei einer Entschwefelung des NOx-Speicherkatalysators 90 besser berücksichtigt werden und damit die anschließende Wirkung des NOx-Speicherkatalysators 90 auf die Reduzierung der Stickoxide im Abgas besser vorhergesagt werden, was die Prozessführung effizienter und damit verbrauchsgünstiger gestaltet.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Bestimmung der Schwefelentladung eines NOx-Speicherkatalysators (90) in einer Abgasnachbehandlungsanlage einer Brennkraftmaschine (1), wobei zur Schwefelentladung Bedingungen in der Brennkraftmaschine (1) eingestellt werden, bei denen ein Reduktionsmittelüberschuß (122) in der Brennkraftmaschine (1) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einer SOx-Entladungsberechnung (120) modellhaft aus dem Reduktionsmittelstrom (122) und aus weiteren Betriebsparametern der Brennkraftmaschine (1) eine SOx-Entladungsmenge (126) bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reduktionsmittelstrom (122) im Abgas während der Schwefelentladung aus einem Reduktionsmittel-Kennfeld (121) bestimmt wird, welches vom Betriebszustand, von einer Drehzahl und von einem Moment der Brennkraftmaschine (1) aufgespannt wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reduktionsmittelstrom (122) mit einer Lambda-Korrektur (123) korrigiert wird, die aus einer Abweichung aus einem Soll-Lambdawert und einem Ist-Lambdawert berechnet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Lambda-Korrektur (123) korrigierte Reduktionsmittelstrom (122) integriert und bei Erreichen eines vorgebbaren Reduktionsmittelschwellwertes (127) die Betriebsbedingungen zur Erzeugung des Reduktionsmittelstromes (122) im Abgas nach einer vorgebbaren Zeit beendet werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Reduktionsmittelstrom (122) mit einer Temperatur-Korrektur (124) korrigiert wird, die aus der Temperatur des NOx-Speicherkatalysators (90) berechnet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur-Korrektur (124) bestimmt wird, indem die Entschwefelung wiederholt bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt und die Wirkung verglichen wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reduktionsmittelstrom (122) mit einer den Entschwefelungsprozess betreffenden DeSOx-Fortschrittkorrektur (125) korrigiert wird, die proportional aus der Dauer der Entschwefelung berechnet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die SOx-Entladungsberechnung (120) als Software in einem Motorsteuergerät (110) durchgeführt wird.
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