DE102018004892A1 - Verfahren zum Entschwefeln eines Stickoxid-Speicherkatalysators - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entschwefeln eines Stickoxid-Speicherkatalysators (14) einer den Stickoxid-Speicherkatalysator (14) und wenigstens einen stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators (14) angeordneten SCR-Katalysator (18) umfassenden Abgasanlage (10) einer Verbrennungskraftmaschine, bei welchem eine Entschwefelungsstrategie, auf deren Basis der Stickoxid-Speicherkatalysator (14) entschwefelt wird, an eine Alterung des Stickoxid-Speicherkatalysators (14) angepasst wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entschwefeln eines Stickoxid-Speicherkatalysators, insbesondere eines Kraftfahrzeugs.
  • Die DE 10 2016 003 058 A1 offenbart eine Dieselverbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, mit einer von Abgas der Dieselverbrennungskraftmaschine durchströmbaren Abgasnachbehandlungseinrichtung. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung weist wenigstens einen ein Katalysatorvolumen aufweisenden Stickoxid-Speicherkatalysator zum Speichern von Stickoxiden aus dem Abgas, einen bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgases durch die Abgasnachbehandlungseinrichtung stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators angeordneten Partikelfilter und einen stromab des Partikelfilters angeordneten SCR-Katalysator auf. Dabei ist das Speichermaterial des Stickoxid-Speicherkatalysators aus seltenen Erden-Verbindungen ausgebildet.
  • Außerdem ist aus der DE 199 54 549 A1 ein Verfahren zum Betrieb einer Abgasreinigungsanlage mit einem Stickoxidabsorber bekannt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mittels welchem ein Stickoxid-Speicherkatalysator, insbesondere eines Kraftwagens, besonders vorteilhaft entschwefelt werden kann.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Entschwefeln eines auch als NSK bezeichneten Stickoxid-Speicherkatalysators einer den Stickoxid-Speicherkatalysator und wenigstens einen stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators angeordneten SCR-Katalysator umfassenden Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, wird eine Entschwefelungsstrategie, auf deren Basis der Stickoxid-Speicherkatalysator entschwefelt wird, an eine Alterung des Stickoxid-Speicherkatalysators angepasst. Unter der Entschwefelung des Stickoxid-Speicherkatalysators ist insbesondere zu verstehen, dass in dem Stickoxid-Speicherkatalysator gespeicherter Schwefel, den der Stickoxid-Speicherkatalysator aus Abgas der Verbrennungskraftmaschine aufgenommen und gespeichert hat, zumindest oder lediglich teilweise aus dem Stickoxid-Speicherkatalysator entfernt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist eine Betriebsstrategie zum Betreiben des Stickoxid-Speicherkatalysators, sodass an einem Ausgang des Stickoxid-Speicherkatalysators ein Verhältnis aus Stickstoffdioxid (NO2) und Stickstoffoxid (NOx) realisiert werden kann, welches 50 Prozent beträgt oder möglichst nahe an 50 Prozent liegt. Hintergrund der Erfindung ist, dass eine schnelle SCR-Reaktion in dem stromab des NSK angeordneten SCR-Katalysators am besten dann abläuft, wenn das Verhältnis aus NO2 zu NOx in etwa 50 Prozent beträgt.
  • Es ist dabei vorgesehen, dass die Entschwefelungsstrategie derart an die Alterung des Stickoxid-Speicherkatalysators angepasst wird, dass jeweilige Zeitintervalle, welche zwischen zwei Entschwefelungsvorgängen zum Entschwefeln des Stickoxid-Speicherkatalysators liegen, mit zunehmender Alterung des Stickoxid-Speicherkatalysators länger werden.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Stickoxid-Speicherkatalysator als ein Stickoxid-Speicherkatalysator mit einer Tieftemperaturspeicherfähigkeit und als ein Oxidationskatalysator, insbesondere als ein Dieseloxidationskatalysator, ausgebildet ist.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Entschwefelungsstrategie derart an die Alterung des Stickoxid-Speicherkatalysators angepasst wird, dass jeweilige Entschwefelungsphasen während eines Entschwefelungsvorgangs zum Entschwefeln des Stickoxid-Speicherkatalysators mit zunehmender Alterung des Stickoxid-Speicherkatalysators kürzer werden. Unter einem Entschwefelungsvorgang wird im Rahmen der Erfindung ein Vorgang verstanden, welcher eine oder mehrere Entschwefelungsphasen aufweist, wobei unter einer Entschwefelungsphase eine Fettphase verstanden wird. Unter einer Fettphase wird im Rahmen der Erfindung dabei ein Zeitabschnitt verstanden, in welchem die Verbrennungskraftmaschine mit einer fetten Verbrennungsgemischeinstellung betrieben wird. Vorteilhaft werden die Entschwefelungsphasen jeweils alternierend von Magerphasen unterbrochen. Unter Magerphasen werden Zeitabschnitte verstanden, in welchen die Verbrennungskraftmaschine mit einer mageren Verbrennungsgemischeinstellung betrieben wird.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Entschwefelungsstrategie derart an die Alterung des Stickoxid-Speicherkatalysators angepasst wird, dass die Anzahl der jeweiligen Entschwefelungsphasen während eines Entschwefelungsvorgangs zum Entschwefeln des Stickoxid-Speicherkatalysators mit zunehmender Alterung des Stickoxid-Speicherkatalysators reduziert wird.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Entschwefelungsstrategie derart an die Alterung des Stickoxid-Speicherkatalysators angepasst wird, dass jeweilige Entschwefelungstemperaturen, bei welchen jeweilige Entschwefelungsvorgänge zum Entschwefeln des Stickoxid-Speicherkatalysators durchgeführt werden, mit zunehmender Alterung des Stickoxid-Speicherkatalysators geringer werden.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Alterung des Stickoxid-Speicherkatalysators auf Basis wenigstens eines Rechenmodells mittels einer elektronischen Recheneinrichtung berechnet wird.
  • Vorzugsweise ist der Stickoxid-Speicherkatalysator als so genannter DOC-Plus-Katalysator ausgebildet, welcher auch als DOC-Plus bezeichnet wird. Der DOC-Plus ist ein NSK mit Tieftemperaturspeicherfähigkeit, welche insbesondere durch Cerium (Ce) realisiert werden kann. Der DOC-Plus umfasst somit beispielsweise ein Speichermaterial zum Aufnehmen und Speichern von Stickoxiden aus dem Abgas, wobei das Speichermaterial zumindest, insbesondere zumindest überwiegend, Ce aufweist. Ein solcher NSK mit Tieftemperaturspeicherfähigkeit wird auch als NSK-Light bezeichnet. Darüber hinaus ist der DOC-Plus als Dieseloxidationskatalysator (DOC) ausgebildet, sodass der DOC-Plus eine Dieseloxidationskatalysatorfunktion (DOC-Funktion) aufweist. Somit ist der DOC-Plus im Rahmen seiner DOC-Funktion dazu ausgebildet, Stickstoffmonoxid (NO) zu Stickstoffdioxid (NO2) an seiner Edelmetallbeschichtung zu oxidieren. Es wurde jedoch gefunden, dass die auch als Oxidationsfähigkeit bezeichnete Fähigkeit des DOC-Plus, Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid zu oxidieren, mit zunehmendem Alter beziehungsweise mit zunehmender Alterung sinkt.
  • Darüber hinaus weist der DOC-Plus eine Speicherfunktion auf, in deren Rahmen Stickstoffoxide, insbesondere Stickstoffmonoxid, aus dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine in den DOC-Plus, insbesondere in dessen Speichermaterial, eingespeichert wird. Aufgrund der Temperaturspeicherfähigkeit werden beispielsweise Stickstoffmonoxide und Stickstoffdioxide bei tiefen Temperaturen schneller eingespeichert als Stickstoffmonoxid oxidiert wird. Im Rahmen einer Vergiftung des NSK kann es zu einem Schwefeleintrag in den Stickoxid-Speicherkatalysator, insbesondere in dessen Speichermaterial, kommen, sodass Schwefel, welches beispielsweise im Abgas enthalten sein kann, Speicherplätze beansprucht beziehungsweise wegnimmt, die eigentlich zum Speichern von Stickstoffoxiden, insbesondere Stickstoffdioxiden, vorgesehen sind. Im Rahmen der Entschwefelung wird Schwefel aus dem Stickoxid-Speicherkatalysator entfernt, um Speicherkapazität zum Speichern von Stickoxiden aus dem Abgas zu schaffen.
  • Das auch als Entschwefelung bezeichnete Entschwefeln des Stickoxid-Speicherkatalysators erfolgt im Rahmen eines jeweiligen Entschwefelungsvorgangs, welcher auf Basis der Entschwefelungsstrategie durchgeführt wird. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es beispielsweise vorgesehen, dass für den gealterten Stickoxid-Speicherkatalysator der jeweilige Entschwefelungsvorgang derart durchgeführt wird und auch als Entschwefelungsintervalle bezeichnete Zeitintervalle so festgelegt beziehungsweise eingestellt werden, dass nur eine unvollständige Entschwefelung des Stickoxid-Speicherkatalysators stattfindet. Somit wird ein in dem Stickoxid-Speicherkatalysator, insbesondere in dessen Speichermaterial, verbleibender Rest Schwefelgehalt bewusst aufrechterhalten, sodass nach dem jeweiligen Entschwefelungsvorgang noch Schwefel in dem Stickoxid-Speicherkatalysator, insbesondere in dessen Speichermaterial, gespeichert ist. Das jeweilige Entschwefelungsintervall liegt dabei zwischen zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Entschwefelungsvorgängen, wobei eine Durchführung eines Entschwefelungsvorgangs zum Entschwefeln des Stickoxid-Speicherkatalysators während des Entschwefelungsvorgangs (Zeitintervall) unterbleibt.
  • Die Abgasanlage und somit der Stickoxid-Speicherkatalysator und der SCR-Katalysator sind vorzugsweise motornah angeordnet. Somit sind die Abgasanlage und der SCR-Katalysator und der Stickoxid-Speicherkatalysator vorzugsweise nicht etwa unterhalb oder im Bereich eines Unterbodens des Kraftfahrzeugs, sondern in einem Motorraum des Kraftfahrzeugs angeordnet, in dessen Motorraum auch die Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist.
  • Während beispielsweise dann, wenn der Stickoxid-Speicherkatalysator neu ist, alle 3000 bis 4000 Kilometer ein Entschwefelungsvorgang durchgeführt wird, ist das Entschwefelungsintervall bei gealtertem Stickoxid-Speicherkatalysator länger. Während beispielsweise dann, wenn der Stickoxid-Speicherkatalysator neu ist, ein Entschwefelungsvorgang 8 bis 10 Sekunden dauert, dauert der Entschwefelungsvorgang bei gealtertem Stickoxid-Speicherkatalysator 5 bis 8 Sekunden. Während beispielsweise dann, wenn der Stickoxid-Speicherkatalysator neu ist, der jeweilige Entschwefelungsvorgang bei einer Temperatur von zumindest im Wesentlichen 600 Grad Celsius durchgeführt wird, wird der jeweilige Entschwefelungsvorgang bei gealtertem Stickoxid-Speicherkatalysator bei zumindest im Wesentlichen 570 Grad Celsius durchgeführt.
  • Die Alterung des Stickoxid-Speicherkatalysators kann anhand von Modellrechnungen ermittelt werden. Daraus kann mit einer aktuellen Entschwefelungsstrategie ein aktueller Rest Schwefelgehalt ermittelt werden, woraufhin dann gegebenenfalls die Entschwefelungsstrategie angepasst werden kann
  • Unter dem Merkmal, dass der Stickoxid-Speicherkatalysator gealtert ist, ist zu verstehen, dass der Stickoxid-Speicherkatalysator beispielsweise eine Laufleistung, insbesondere eine Betriebslaufleistung, aufweist, welche in einem Bereich von etwa 160000 Kilometer bis 200000 Kilometer liegt, insbesondere bei normalem beziehungsweise durchschnittlichen Fahrbetrieb. Weitere Definitionen des Merkmals „gealtert“ können beispielsweise aus der DE 10 2016 003 058 A1 entnommen werden.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • Die Zeichnung zeigt in der einzigen Fig. eine schematische Darstellung einer Abgasanlage für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere für eine Dieselverbrennungskraftmaschine, eines Kraftfahrzeugs.
  • Die einzige Fig. zeigt in einer schematischen Darstellung eine Abgasanlage 10 für eine in der Fig. nicht dargestellte Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs. Die Verbrennungskraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselverbrennungskraftmaschine beziehungsweise als Dieselmotor ausgebildet, wobei das Kraftfahrzeug mittels der Verbrennungskraftmaschine antreibbar ist. Während ihres befeuerten Betriebs stellt die Verbrennungskraftmaschine Abgas bereit, welches durch die Abgasanlage 10 hindurchströmen kann. Dabei veranschaulicht in der Fig. ein Pfeil 12 das in die Abgasanlage 10 einströmende und die Abgasanlage 10 durchströmende Abgas.
  • Die Abgasanlage 10 weist einen auch als NSK bezeichneten Stickoxid-Speicherkatalysator 14 auf, mittels welchem im Abgas etwaig enthaltene Stickoxide aufgenommen und gespeichert werden können. Hierzu weist der NSK ein Speichermaterial auf, in welches Stickoxide aus dem Abgas eingespeichert werden können. Der NSK weist dabei einen Eingang auf, über welchen das Abgas in den NSK einströmen kann. Ferner weist der von dem Abgas durchströmbare NSK einen Ausgang auf, an welchem das Abgas aus dem NSK ausströmen kann. Insbesondere ist der NSK als DOC-Plus ausgebildet, sodass der NSK auch als Oxidationskatalysator, insbesondere als Dieseloxidationskatalysator, arbeiten beziehungsweise fungieren kann.
  • In Strömungsrichtung des die Abgasanlage 10 durchströmenden Abgases ist stromab des NSK ein Partikelfilter 16 angeordnet, mittels welchem etwaig im Abgas enthaltene Partikel, insbesondere Rußpartikel, aus dem Abgas gefiltert werden können. Außerdem ist stromab des NSK ein SCR-Katalysator 18 vorgesehen. Die Abgasanlage 10 umfasst somit den NSK, den optional vorgesehenen Partikelfilter 16 und den SCR-Katalysator 18, welcher in Strömungsrichtung des die Abgasanlage 10 durchströmenden Abgases stromab des NSK (Stickoxid-Speicherkatalysator 14) angeordnet ist. Auch der Partikelfilter 16 und der SCR-Katalysator 18 sind von dem Abgas durchströmbar.
  • Außerdem ist eine Dosiereinrichtung 20 vorgesehen, mittels welcher ein insbesondere flüssiges Reduktionsmittel zum Entsticken des Abgases in das Abgas eingebracht, insbesondere eingespritzt, werden kann. Hierzu kann mittels der Dosiereinrichtung 20 das Reduktionsmittel an einer Stelle in das Abgas eingebracht werden, wobei die genannten Stelle in Strömungsrichtung des die Abgasanlage 10 durchströmenden Abgases stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators 14 und stromauf des SCR-Katalysators 18, insbesondere stromauf des Partikelfilters 16, angeordnet ist. Der SCR-Katalysator 18 ist zum katalytischen Unterstützen beziehungsweise Bewirken einer selektiven katalytischen Reduktion (SCR) ausgebildet, wobei im Rahmen des SCR im Abgas etwaig enthaltene Stickoxide mit Ammoniak aus dem Reduktionsmittel zu Stickstoff und Wasser reagieren. Hierdurch wird das Abgas entstickt. Bei dem in der Fig. veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist der SCR-Katalysator stromab des Partikelfilters 16 angeordnet. Außerdem ist ein erster Temperatursensor T4 vorgesehen, mittels welchem eine stromab des NSK herrschende Temperatur des Abgases erfasst werden kann. Des Weiteren umfasst die Abgasanlage 10 einen zweiten Temperatursensor T5, mittels welchem eine stromab des NSK herrschende zweite Temperatur des Abgases erfasst werden kann.
  • Im Folgenden wird ein Verfahren zum Entschwefeln des Stickoxid-Speicherkatalysators 14 beschrieben. Bei dem Verfahren wird eine Entschwefelungsstrategie, auf deren Basis der Stickoxid-Speicherkatalysator 14 entschwefelt wird, an eine Alterung des Stickoxid-Speicherkatalysators 14 angepasst. Dies beruht auf folgender Erkenntnis:
    • Aktuelle Emissionsrichtlinien sehen eine deutliche Begrenzung der Motoremissionen, insbesondere der Kohlenwasserstoff- (HC), Kohlenmonoxid- (CO) und Stickoxid- (NOx) sowie der Partikel- (PM) Emissionen vor. Gleichzeitig fallen aufgrund der zunehmenden Kraftstoffverbrauchseinsparung die Abgastemperaturen für die katalytische Abgasnachbehandlung immer weiter ab. Motornahe SCR-Systeme mit einem Partikelfilter mit integrierter SCR-Beschichtung (SDPF) und direkt nachfolgendem SCR-Katalysator spielen daher bei Abgasnachbehandlungskonzepten eine wichtige Rolle, um den gestiegenen Anforderungen begegnen zu können. Der Partikelfilter 16 ist somit vorzugsweise als Dieselpartikelfilter (DPF) und vorzugsweise als SDPF ausgebildet. Die selektive katalytische Reduktion (SCR) ist ein äußert wirksames Verfahren zur Stickoxidumwandlung hin zu Stickstoff (N2) und Wasser (H2O). Zur Reduktion ist die Anwesenheit von Ammoniak (NH3) erforderlich sowie eine Temperatur über 150 Grad Celsius, idealerweise zwischen 250 Grad Celsius bis 450 Grad Celsius. Der Stickoxidumsatz erfolgt nach folgenden Reaktionsgleichungen (1) bis (4): 4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2O (1) 4NH3 + 6NO → 5N2 + 6H2O (2) 4NH3 + 2NO + 2NO2 → 4N2 + 6H2O (3) 8NH3 + 6NO2 → 7N2 + 12H2O (4)
  • Die Standard-SCR-Reaktion gemäß (1) trägt den größten Anteil zum Stickoxidumsatz bei. Die Reaktion (2) setzt bei gleichem NH3-Verbrauch zwar mehr Stickstoffmonoxid um, läuft aber deutlich langsamer ab. Sind NO und NO2 in gleichen Anteilen im Abgas vorhanden, findet verstärkt die Reaktion nach Gleichung (3) statt. Diese hat eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit als die Reaktion nach Gleichung (1) und wird deshalb als schnelle SCR-Reaktion bezeichnet. Ist der Anteil an Stickstoffdioxid zu hoch, läuft vermehrt die Reaktion nach Gleichung (4) ab, bei der NH3 und NO2 sehr langsam umgesetzt werden. Infolgedessen nimmt der Stickoxidumsatz ab, während der Verbrauch an Ammoniak steigt. Somit wirken sich unterschiedliche NO2/NOx-Verhältnisse auf den Stickoxidumsatz aus. Es wurde gefunden, dass die schnelle SCR-Reaktion am besten beziehungsweise effektivsten oder schnellsten bei einem NO2/NOx-Verhältnis von in etwa 50 Prozent abläuft. Katalysatoren wie ein Dieseloxidationskatalysator (DOC) oder ein DOC mit Tieftemperatur-Stickoxid-Speicherkapazität (DOC-Plus) verfügen über eine funktionelle Beschichtung, welche neben der Oxidation von HC- und CO-Emissionen ebenfalls die nach der folgenden Gleichung (5) erfolgende Bildung von NO2 zum Ziel hat: NO + ½O2 → NO2 (5)
  • Für den DOC-Plus ist zu beachten, dass NO2 erst nach Auffüllung des Stickoxidspeichers vollständig an das nachfolgende SCR-System weitergegeben wird, während zuvor die Einspeicherung der Stickoxide als Nitrit oder Nitrat nach den folgenden Gleichungen (6) und (7) in Konkurrenz zur NO2-Bildung schneller abläuft. Im Anschluss zeigt der DOC-Plus ein NO2-Verhalten ähnlich dem des DOC, wobei das NO2-Niveau für beide Technologien stark von der Beschichtung abhängig ist: 3NO + 2O2 + CeO2 → Ce(NO3)3 (6) 3NO + ½O2 + CeO2 → Ce(NO2)3 (7)
  • Um in einem für die schnelle SCR-Reaktion optimalen Bereich zu liegen, ist ein N02/NOx-Anteil zwischen 35 Prozent bis 65 Prozent, idealerweise 50 Prozent wünschenswert. Liegt der NO2-Gehalt an NOx im stark gealterten oder vergifteten Zustand des Stickoxid-Speicherkatalysators 14, das heißt des DOC-Plus beziehungsweise des DOC unterhalb von 40 Prozent, nimmt der SCR-Umsatz merklich ab. Ist der Anteil jedoch zu hoch, was insbesondere im Frischzustand der Komponenten auftritt, läuft vermehrt die Reaktion nach Gleichung (4) ab, was zu einer deutlichen Effizienzminderung des SCR-Systems führt. Ziel ist somit eine definierte Betriebsweise beziehungsweise Betriebsstrategie, welche nach dem Stickoxid-Speicherkatalysator 14 (DOC-Plus beziehungsweise DOC) ein für das SCR-System optimales NO2/NOx-Verhältnis über die gesamte Lebensdauer der Komponenten beziehungsweise der Abgasanlage 10 gewährleistet.
  • Betrachtet wird somit ein Abgasnachbehandlungssystem, welches beispielsweise den Stickoxid-Speicherkatalysator 14 und den nachgeschalteten motornahen SCR-Katalysator 18 aufweist. Über die Lebensdauer sind die Komponenten unterschiedlichen thermischen Beanspruchungen ausgesetzt. Infolgedessen kommt es zu einer irreversiblen Alterung des Stickoxid-Speicherkatalysators 14. Dabei nimmt die NO2-Bildung mit zunehmender Alterung ab.
  • Zudem ist die Bildung von NO2 nach Gleichung (5) stark abhängig von der Temperatur im Stickoxid-Speicherkatalysator 14. Im Bereich um 300 Grad Celsius liegt der NO2/NOx-Anteil am höchsten, unterhalb von 200 Grad Celsius beziehungsweise oberhalb von 400 Grad Celsius findet nahezu keine NO2-Bildung statt. Falls die Erhöhung des NO2/NOx-Anteils nicht anders erzielbar ist, kann die Temperatur bewusst erhöht werden, dies bringt jedoch einen deutlichen Kraftstoffmehrverbrauch mit sich.
  • Neben der Alterung und der Betriebstemperatur gibt es eine Reihe reversibler Vorgänge, die das NO2/NOx-Verhältnis unterschiedlich beeinflussen. Dazu gehört für den DOC-Plus und den DOC die Vergiftung durch eingelagerte HC. Der DOC-Plus speichert zudem NOx, aber auch Schwefel (S) auf seiner Oberfläche ein, was ebenfalls die NO2-Bildung beeinflusst. Zudem zeigt der DOC-Plus ein reversibles Aktivierungsverhalten, welches als Oberflächenaktivität verstanden werden kann. Dieses Verhalten wirkt sich ebenfalls auf den NO2/NOx-Anteil aus. Somit existieren insbesondere die folgenden Einflüsse auf das NO2/NOx-Verhältnis:
    • - Alterungszustand
    • - Katalysator-Temperatur
    • - HC-Vergiftung
    • - Aktivierungsgrad
    • - NOx-Speichermenge
    • - Schwefelvergiftung
  • Der Aktivierungsgrad, die NOx-Speichermenge und Schwefelvergiftung beziehen sich lediglich auf den DOC-Plus und haben für den DOC keine Bedeutung.
  • Insgesamt nehmen die zuvor genannten und auch als Mechanismen bezeichneten Einflüsse alle Teil an der Bildung von NO2 am DOC-Plus beziehungsweise am DOC und somit indirekt über das SCR-System erbrachten NOx-Umsatz. Teils können die Faktoren selbst durch eine entsprechende Konditionierung des Stickoxid-Speicherkatalysators 14 beeinflusst werden, was eine Regelung des N02-Niveaus vor dem SCR-System ermöglicht. Die unterschiedlichen Möglichkeiten zur NO2-Beeinflussung mittels geeigneter Konditionierung werden im Folgenden für die einzelnen Mechanismen dargestellt, im Anschluss wird das Gesamtpotential zur NO2-Regelung aufgezeigt.
  • Die HC-Vergiftung tritt durch auf dem Stickoxid-Speicherkatalysator 14 eingelagerte HC auf und wirkt sich negativ auf den CO-Umsatz sowie die NO2-Bildung aus. Je höher die eingespeicherte HC-Menge ist, desto stärker ist der Vergiftungseffekt. Dabei hängt das Speichervermögen für HC stark von der Temperatur ab. Bei niedrigen Temperaturen unter 200 Grad Celsius vor dem Stickoxid-Speicherkatalysator 14 ist die HC-Einspeicherung am größten, während ab 300 Grad Celsius vor dem Stickoxid-Speicherkatalysator 14 keine HC-Einspeicherung und somit keine Vergiftung mehr auftreten. Die Einlagerung von HC, insbesondere in dem Stickoxid-Speicherkatalysator 14, ist reversibel, aufgrund der zuvor genannten Temperaturabhängigkeit des HC-Speichers kann eine Regeneration mittels Temperaturanhebung, zum Beispiel durch einen Fettsprung erfolgen.
  • Aufgrund seiner speziellen Eigenschaften ergeben sich am DOC-Plus gegenüber dem DOC weitere Einflussfaktoren auf die NO2-Bildung. Der DOC-Plus kann im mageren Betrieb NOx einspeichern und anschließend unter fetten Bedingungen umsetzen oder bei mageren Bedingungen thermisch desorbieren. Eine weitere Einflussgröße auf die NO2-Bildung am DOC-Plus ist infolgedessen die eingelagerte NOx-Speichermenge, wobei die maximale NOx-Speichermenge vom Alterungszustand und der Beschichtungstechnologie abhängt. Ist der NOx-Speicherfüllstand gering, wird NO2 hauptsächlich auf der Katalysatoroberfläche eingespeichert, anstatt an das nachfolgende SCR-System zu gelangen. Erst wenn der NOx-Speicher relativ voll ist, werden hohe NO2/NOx-Verhältnisse erzielt.
  • Im Vergleich zum DOC weist der DOC-Plus zudem ein besonderes Verhalten gegenüber kurzen fetten Abgaszusammensetzungen auf, das als Aktivierungsverhalten bezeichnet wird. Mechanismen wie die so genannte Strong-Metal-Support-Interaction (SMSI) und die Oxidation von Platin (Pt) sorgen während eines Fettsprungs für die Redispersion der aktiven Komponenten (Pt und Pd) auf der so genannten Wash Coat-Oberfläche. Dieser aktivierte Zustand hält unter mageren Bedingungen für gewisse Zeit an und zeichnet sich durch eine verbesserte CO- und HC-Konversion sowie verstärkte N02-Bildung aus. Es besteht somit ein Zusammenhang zwischen dem Aktivierungszustand des DOC-Plus und dem NO2/NOx-Anteil beziehungsweise -Verhältnis. Bei frischem und aktiviertem Stickoxid-Speicherkatalysator 14 werden größere NO2/NOx-Verhältnisse erzielt als bei deaktiviertem und stark gealterten Stickoxid-Speicherkatalysator 14.
  • Während die Einlagerung von HC auf der Katalysatoroberfläche zu einer Verschlechterung der NO2-Bildung führt, bewirkt die am DOC-Plus auftretende Vergiftung mit Schwefel bedingt durch die Blockade der NOx-Speicherzentren eine Abnahme der NOx-Speichermenge und somit eine vermehrte Weitergabe von NO2 an das SCR-System. Die Entschwefelung erfolgt bei hohen Temperaturen und fetter Abgaszusammensetzung.
    Zum umsatzoptimierten Betrieb des SCR-Systems kann je nach Abweichung zum Optimum von 50 Prozent an NO2/NOx und Zustand des Stickoxid-Speicherkatalysators 14 unterschiedliche Maßnahmen ergriffen werden, die sich den unterschiedlichen Einflüssen der zuvor genannten Faktoren auf das NO2/NOx-Verhältnis zu Nutze machen. Je nach Alterungsgrad liegt der Anteil an NO2 ober- oder unterhalb des Optimums von 50 Prozent. Insbesondere im Frischzustand stellt der DOC-Plus beziehungsweise der DOC zu viel N02 zur Verfügung, was ein gezieltes Herabsetzen der NO2-Bildung erforderlich macht. Mit zunehmender Alterung senkt sich das Niveau jedoch deutlich ab und macht in gealtertem Zustand eine verstärkte NO2-Bereitstellung durch den DOC-Plus beziehungsweise den DOC notwendig. Möglich wird die gezielte Regelung des NO2/NOx-Verhältnisses, welches auch als NO2/NOx-Anteil bezeichnet wird, durch das Zuschalten unterschiedlicher und aufeinander abgestimmter Maßnahmen zur Konditionierung des Stickoxid-Speicherkatalysators 14, insbesondere basierend auf den oben aufgeführten Einflussfaktoren.
  • Um das NO2/NOx-Verhältnis abzusenken, können am Stickoxid-Speicherkatalysator 14 verschiedene Maßnahmen ergriffen werden. Eine Möglichkeit zur Absenkung des NO2/NOx-Verhältnisses kann die bewusste Zulassung eines definierten Vergiftungszustands durch HC sein. Hierzu kann der Zeitpunkt, bei welchem eine Regenerationsanforderung erfolgt, bis zum Erreichen eines vorgebbaren beziehungsweise vorgegebenen unteren Grenzwerts hinausgezögert werden. Dadurch erfolgt die Leerung des HC-Speichers mit einhergehender Verbesserung der N02-Bildung erst später, wodurch das NO2/NOx-Verhältnis insgesamt abgesenkt wird. Zudem kann die zur Entgiftung stattfindende Temperaturerhöhung mittels Fettsprung im Vergleich zur standardmäßig durchgeführten Konditionierung von 7 Sekunden auf 4 Sekunden verkürzt werden. Infolgedessen wird der HC-Speicher über eine aktive Temperaturerhöhung nicht vollständig entleert, der verbleibende Vergiftungseffekt ermöglicht die Absenkung des NO2-Niveaus bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung des CO-Umsatzes. Allerdings kann eine, durch den Fahrbetrieb entstehende, thermische Ausspeicherung des HC nicht beeinflusst werden. Die Einflussnahme auf das NO2/NOx-Verhältnis mittels HC-Vergiftung ist also nur im Bereich tiefer Temperaturen, vor allem unterhalb von 300 Grad Celsius vor dem Stickoxid-Speicherkatalysator 14 möglich.
  • Zur Herabsetzung des NO2/NOx-Anteils stehen für den DOC-Plus weitere Möglichkeiten zur Verfügung. Als zusätzliche Maßnahme kann die NOx-Speichermenge gezielt beeinflusst werden. Um das NO2/NOx-Verhältnis, welches auch als NO2/NOx-Niveau bezeichnet wird, niedrig zu halten, kann die Menge an eingespeicherten NOx so niedrig gehalten werden, dass die NO2-Bildung im unteren Bereich des optimalen Betriebsfensters liegt. Ermöglicht wird dies durch eine auch als DeNOx-Strategie bezeichnete Entstickungsstrategie, bei der bereits ab circa 40 Prozent des NOx-Speichervermögens eine Regenerationsanforderung mittels Fettsprung erfolgt, während dies für den mäßig gealterten DOC-Plus standardmäßig erst ab circa 60 Prozent NOx-Speicherbelegung der Fall ist.
  • Die Deaktivierung des DOC-Plus kann bewusst unterhalb des oberen Schwellenwerts gehalten werden, um den NO2/NOx-Anteil im Frischzustand gering zu halten. Erzielt wird dies durch eine Fettsprungdauer von 4 Sekunden bis 5 Sekunden anstelle von 6 Sekunden bis 8 Sekunden oder eine Verringerung der Anzahl an Fettsprüngen. Eine weitere Maßnahme sind veränderte Auslösemechanismen für die Fettaktivierung, wodurch diese erst bei stärkerer Deaktivierung nach Unterschreiten des unteren Schwellenwerts erfolgt. Für den frischen DOC-Plus ergibt sich dadurch eine gemäßigte NO2-Bildung und das NO2/NOx-Verhältnis kann im Bereich um das Optimum von 50 Prozent gehalten werden.
  • Neben der NOx-Speichermenge und dem Aktivitätszustand kann auch die Vergiftung mit Schwefel (S) als indirekte Einflussgröße auf die N02-Bildung am DOC-Plus herangezogen werden. Soll im Frischzustand das N02/NOx-Verhältnis abgesenkt werden, muss die Menge an eingespeichertem Schwefel in dem DOC-Plus möglichst gering gehalten werden. Dazu kann zum einen das Zeitintervall zwischen den Entschwefelungen verkürzt werden, das heißt es wird bereits beim Überschreiten der unteren Grenzlinie eine auch als Desulfurierungs-Anforderung bezeichnete Entschwefelungs-Anforderung gestellt. Andererseits kann durch eine erhöhte Reduktionsmittelmenge während der Entschwefelung eine vollständige Entfernung des Schwefels gewährleistet werden. Für den schwefelfreien DOC-Plus wird NO2 dann vermehrt zur NOx-Einspeicherung verwendet, infolgedessen kann das NO2/NOx-Verhältnis ebenfalls herabgesetzt werden.
  • Mit zunehmender Alterung wird zur Aufrechterhaltung des SCR-Umsatzes die Konditionierung des Stickoxid-Speicherkatalysators 14 hin zu höheren NO2/NOx-Verhältnissen notwendig. Die Erhöhung des NO2-Anteils kann je nach Bedarf durch eine einzelne oder die Kombination mehrerer Maßnahmen erfolgen. Gegenläufig zur Strategie bei hohem NO2/NOx-Verhältnis wird in gealtertem Zustand eine HC-Vergiftung des Stickoxid-Speicherkatalysators 14 möglichst gering gehalten. Dazu wird bereits bei mäßiger Vergiftung mittels Temperaturerhöhung entgiftet. Somit kann auch bei einem stark gealterten System noch ein NO2/NOx-Niveau im Bereich von 50 Prozent beibehalten werden.
    Als weitere Maßnahme kann am DOC-Plus die NOx-Speicherbelegung so hoch gehalten werden, dass der untere Grenzwert nicht unterschritten wird. Statt wie im gemäßigten Zustand üblich bereits bei einer Belegung des NOx-Speichers von 60 Prozent zu regenerieren, kann die Entschwefelungs-Anforderung bis zu einem NOx-Speicherfüllstand von 80 Prozent bis 90 Prozent hinausgezögert werden. In Folge der hohen NOx-Speicherbelegung nimmt die weitere Einlagerung von NOx ab, weshalb vom DOC-Plus aus mehr NO2 an das SCR-System gelangen kann.
  • Um auch im stark gealterten Zustand des DOC-Plus eine ausreichende N02-Bildung zu erzielen, ist es wichtig, den Aktivitätszustand des DOC-Plus hoch zu halten. Dazu wird eine längere Fettsprungdauer von bis zu 10 Sekunden anstelle der üblichen 6 Sekunden bis 8 Sekunden zugelassen. Ebenfalls kann die Fettsprungtiefe alterungsabhängig bis zu einem Lambdawert von 0,9 statt 0,95 im mäßig gealterten Zustand erhöht werden oder es werden mehr Fettsprünge zur Aktivierung gefahren. Generell erfolgt im stark gealterten Zustand des DOC-Plus die Aktivierungsanforderung früher, um die untere Grenze nicht zu unterschreiten. Infolgedessen ist ein hoher Aktivierungsgrad des DOC-Plus gewährleistet, was neben der N02-Bildung auch die CO- und die HC-Konversion in gealtertem Katalysatorzustand unterstützt.
  • Zusätzlich ist eine bewusste Schwefelvergiftung des stark gealterten DOC-Plus denkbar, indem die Entschwefelungsintervalle verlängert werden oder die Entschwefelung nur unvollständig erfolgt. Infolgedessen wird zwar das NOx-Speichervermögen herabgesetzt, dafür wird jedoch die NO2-Bildung im Bereich des unteren Schwellenwerts gehalten. Dem SCR-System steht somit ein höheres NO2/NOx-Verhältnis zur Verfügung, was mehrheitlich einen besseren NOx-Gesamtumsatz ermöglicht.
  • Insgesamt ist erkennbar, dass durch angepasste Konditionierung des Stickoxid-Speicherkatalysators 14 eine Regelung der NO2-Bildung erfolgen kann, was zur Umsatzoptimierung des nachfolgenden SCR-Systems genutzt wird. Für dieses gilt ein NO2/NOx-Verhältnis von 50 Prozent als optimal, da der NOx-Umsatz dann vermehrt über die schnelle SCR-Reaktion abläuft. Die NO2-Bildung am Stickoxid-Speicherkatalysator 14 hängt dabei maßgeblich vom Alterungszustand sowie von der Betriebstemperatur des Katalysators ab. Für Temperaturen von unterhalb von 250 Grad Celsius im Stickoxid-Speicherkatalysator 14 kann über die Beeinflussung der HC-Vergiftung die NO2-Bildung gesteuert werden. Bei der Verwendung eines DOC-Plus als der Stickoxid-Speicherkatalysator 14 ergeben sich gegenüber einem DOC neben der direkten Beeinflussung des NOx-Umsatzes durch NOx-Einspeicherungen auch weitere Einflussmöglichkeiten auf die N02-Bildung. Dazu gehören die NOx-Speicherbelegung und die Aktivität des DOC-Plus sowie dessen Vergiftung durch beziehungsweise mit Schwefel. Je nach Alterungszustand beziehungsweise je nach Alterung des Stickoxid-Speicherkatalysators 14 ist es sinnvoll, das NO2-Niveau über die beschriebenen Maßnahmen anzuheben oder abzusenken. Insgesamt kann dadurch eine deutliche Optimierung des SCR-Umsatzes über die Lebensdauer der Komponenten erzielt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Abgasanlage
    12
    Pfeil
    14
    Stickoxid-Speicherkatalysator
    16
    Partikelfilter
    18
    SCR-Katalysator
    20
    Dosiereinrichtung
    T4
    Temperatursensor
    T5
    Temperatursensor
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016003058 A1 [0002, 0019]
    • DE 19954549 A1 [0003]

Claims (6)

  1. Verfahren zum Entschwefeln eines Stickoxid-Speicherkatalysators (14) einer den Stickoxid-Speicherkatalysator (14) und wenigstens einen stromab des Stickoxid-Speicherkatalysators (14) angeordneten SCR-Katalysator (18) umfassenden Abgasanlage (10) einer Verbrennungskraftmaschine, bei welchem eine Entschwefelungsstrategie, auf deren Basis der Stickoxid-Speicherkatalysator (14) entschwefelt wird, an eine Alterung des Stickoxid-Speicherkatalysators (14) derart angepasst wird, dass jeweilige Zeitintervalle, welche zwischen zwei Entschwefelungsvorgängen zum Entschwefeln des Stickoxid-Speicherkatalysators (14) liegen, mit zunehmender Alterung des Stickoxid-Speicherkatalysators (14) länger werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickoxid-Speicherkatalysator (14) als ein Stickoxid-Speicherkatalysator mit einer Tieftemperaturspeicherfähigkeit und als ein Oxidationskatalysator, insbesondere als ein Dieseloxidationskatalysator, ausgebildet ist.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entschwefelungsstrategie derart an die Alterung des Stickoxid-Speicherkatalysators (14) angepasst wird, dass jeweilige Entschwefelungsphasen während eines Entschwefelungsvorgangs zum Entschwefeln des Stickoxid-Speicherkatalysators (14) mit zunehmender Alterung des Stickoxid-Speicherkatalysators (14) kürzer werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entschwefelungsstrategie derart an die Alterung des Stickoxid-Speicherkatalysators (14) angepasst wird, dass die Anzahl der jeweiligen Entschwefelungsphasen während eines Entschwefelungsvorgangs zum Entschwefeln des Stickoxid-Speicherkatalysators (14) mit zunehmender Alterung des Stickoxid-Speicherkatalysators (14) reduziert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entschwefelungsstrategie derart an die Alterung des Stickoxid-Speicherkatalysators (14) angepasst wird, dass jeweilige Entschwefelungstemperaturen, bei welchen jeweilige Entschwefelungsvorgänge zum Entschwefeln des Stickoxid-Speicherkatalysators (14) durchgeführt werden, mit zunehmender Alterung des Stickoxid-Speicherkatalysators (14) geringer werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Alterung des Stickoxid-Speicherkatalysators (14) auf Basis wenigstens eines Rechenmodells mittels einer elektronischen Recheneinrichtung berechnet wird.
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