DE10330367A1

DE10330367A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Entschwefelung eines Katalysators

Info

Publication number: DE10330367A1
Application number: DE10330367A
Authority: DE
Inventors: Matthias Holz; Michael Dr. Zillmer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-03-03
Also published as: FR2856733A1; FR2856733B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entschwefelung mindestens eines Katalysators (18, 20) eines einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine (10) nachgeschalteten Katalysatorsystems, wobei eine Entschwefelungsnotwendigkeit in Abhängigkeit zumindest eines Kriteriums ermittelt wird und wobei während der Entschwefelung der mindestens eine zu entschwefelnde Katalysator (18, 20) bei einer erhöhten Temperatur zumindest zeitweise mit einem fetten Abgas mit lambda < 1 beaufschlagt wird. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass das zumindest eine Kriterium zur Ermittlung der Entschwefelungsnotwendigkeit eine Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC) mindestens eines Katalysators (18, 20) des Katalysatorsystems umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entschwefelung mindestens eines einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine nachgeschalteten Katalysators, insbesondere eines NO_x-Speicherkatalysators, sowie eine Vorrichtung zur Steuerung der Entschwefelung.

Zur Nachbehandlung von Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen wird dieses üblicherweise katalytisch an einem oder mehreren nachgeschalteten Katalysatoren gereinigt. Es sind unterschiedliche Arten von Katalysatoren bekannt. Oxidationskatalysatoren fördern die Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO), während Reduktionskatalysatoren eine Reduzierung von Stickoxiden (NO_x) des Abgases unterstützen. Ferner werden 3-Wege-Katalysatoren verwendet, um die Konvertierung der drei vorgenannten Komponenten (HC, CO, NO_x) gleichzeitig zu katalysieren. Daneben sind auch Speicherkatalysatoren, beispielsweise NO_x-Speicherkatalysatoren, bekannt. Letztere werden bei der Abgasreinigung von Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt, die aus Gründen einer Verbrauchsoptimierung wenigstens zeitweise in einem mageren Betriebsmodus, das heißt mit einem sauerstoffreichen (mageren, überstöchiometrischen) Luft-Kraftstoff-Gemisch mit λ > 1, betrieben werden. Die hierbei entstehenden Stickoxide NO_x können aufgrund des Sauerstoffüberschusses im Magerbetrieb 3-Wege-katalytisch nicht vollständig zu umweltneutralem Stickstoff umgesetzt werden. Stattdessen wird NO_x in der NO_x-Speicherkomponente des Speicherkatalysators eingelagert und in zwischengeschalteten Regenerationsphasen bei unterstöchiometrischem (fettem) bis stöchiometrischem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine bei λ ≤ 1 wieder desorbiert und an Edelmetallen einer 3-Wege-katalytischen Komponente des NO_x-Speicherkatalysators reduziert.

Fahrzeuge mit magerlauffähigen und direkteinspritzenden Ottomotoren können in unteren Lastbereichen in verschiedenen Betriebsarten betrieben werden. Dabei stellt der magere Schichtladebetrieb, in dem sich die eingespritzte Kraftstoffmenge in Form einer Kraftstoffwolke im Bereich der Zündkerze konzentriert, die verbrauchsgünstigste Betriebsart dar, weswegen eine möglichst häufige und ausgedehnte Nutzung des Schichtladebetriebs angestrebt wird.

Ein Problem für alle Katalysatoren stellt im Kraftstoff enthaltener Schwefel dar, der zu einer Vergiftung und schleichenden Deaktivierung der Katalysatoren führt. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt bei NO_x-Speicherkatalysatoren, die Schwefeloxide in Form von Sulfat in ihren NO_x-Speicher mit einer nahezu 100%igen Speicherrate einlagern. Dies führt dazu, dass Speicherplätze für die Stickoxideinlagerung blockiert werden, wodurch die NO_x-Speicherkapazität des Katalysators abnimmt und die Magerbetriebszeiten bis zur Auslösung einer NO_x-Regeneration kontinuierlich verkürzt werden. Dies führt zu einem Anstieg des Kraftstoffverbrauchs. Langfristig kann es zudem zu irreversiblen Schädigungen des Katalysators kommen. Überschreitet die eingelagerte Schwefelmenge bestimmte Schwellenwerte, so muss, um unzulässig hohe Stickoxidemissionen zu vermeiden, der Magerbetrieb und/oder der Schichtladebetrieb der Verbrennungskraftmaschine teilweise oder sogar ganz unterdrückt werden. Selbst bei Verwendung von so genannten schwefelfreien Kraftstoffen kommt es aufgrund der Restschwefelgehalte des Kraftstoffs unterhalb von 10 ppm und durch Schwefelgehalte im Schmieröl zu einer schleichenden Verschwefelung der Katalysatoren.

Zur Aufrechterhaltung der NO_x-Speicherkapazität und damit des wirkungsgradgünstigen Magerbetriebs sind daher Entschwefelungen des NO_x-Speicherkatalysators erforderlich. Aufgrund der vergleichsweise hohen Stabilität der eingelagerten Sulfate muss der Speicherkatalysator während der Entschwefelung auf Temperaturen oberhalb von etwa 600 °C aufgeheizt und mit einer fetten Abgasatmosphäre mit λ < 1 beaufschlagt werden. Wird das Kraftfahrzeug mit höheren Drehzahlen und Motorbelastungen, beispielsweise auf Landstraßen oder Autobahnen, betrieben, können sich im NO_x-Speicherkatalysator die erforderlichen Entschwefelungsbedingungen einstellen, wodurch der Schwefel im normalen Fahrbetrieb wieder ausgetragen wird (passive Entschwefelung). Wird das Fahrzeug dagegen über lange Strecken im Schwachlastbereich, beispielsweise im Stadtverkehr, betrieben, liegen die Temperaturen im Katalysator in der Regel unterhalb der Entschwefelungstemperatur, weswegen hier eine aktiv eingeleitete Entschwefelung mit entsprechenden Katalysatorheizmaßnahmen erforderlich werden kann. Zur Unterdrückung von Reduktionsmitteldurchbrüchen und einer H₂S-Bildung hat sich insbesondere eine alternierende, lambdagesteuerte Beaufschlagung des Katalysators mit mageren und fetten Abgasatmosphären bewährt ( DE 198 27 195 A , DE 198 49 082 A ).

Die direkte Ermittlung einer Schwefelbeladung und damit der Entschwefelungsnotwendigkeit ist nicht möglich, da der Schwefelgehalt des Kraftstoffs derzeit nicht online im Fahrzeug ermittelbar ist. Bekannt ist daher, basierend auf einem fest applizierten Wert für den Kraftstoffschwefelgehalt den Schwefeleintrag in den Katalysator in Abhängigkeit der durchgesetzten Kraftstoffmasse seit der letzten Entschwefelung im Motorsteuergerät zu berechnen. Diese rein modellgestützte Schwefelbestimmung kann im Falle eines zu niedrig angesetzten Schwefelgehalts zu verspäteten Entschwefelungen beziehungsweise im Falle eines zu hohen Modellwerts zu verfrühten und damit zu häufigen Entschwefelungen führen. Infolgedessen kommt es zu erhöhten Schadstoffemissionen beziehungsweise zu einem Kraftstoffmehrverbrauch.

Als ein weiteres Kriterium zur Bestimmung der Entschwefelungsnotwendigkeit ist ferner die Detektion eines Aktivitätseinbruchs des NO_x-Speicherkatalysators hinsichtlich seiner NO_x-Konvertierungsrate bekannt, die mit Hilfe einer sauerstoffsensitiven Messeinrichtung, insbesondere eines NO_x-Sensors oder einer Lambdasonde, stromab des Katalysators detektiert wird. Auf diese Weise kann jedoch nicht zwischen einer Schwefelvergiftung und einer Alterung der Speicherkomponente des Katalysators unterschieden werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Verfahren zur Durchführung einer Entschwefelung eines Katalysators, insbesondere eines NO_x-Speicherkatalysators, zur Verfügung zu stellen, bei dem eine Entschwefelungsnotwendigkeit mit einer verbesserten Genauigkeit festgestellt werden kann. Ferner soll eine Vorrichtung bereitgestellt werden, mit der das Verfahren durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das zumindest eine Kriterium zur Ermittlung der Entschwefelungsnotwendigkeit eine Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC ("oxygen storage capacity") mindestens eines Katalysators des Katalysatorsystems, vorzugsweise des zu entschwefelnden Katalysators, umfasst. Da die Sauerstoffspeicherfähigkeit eines Katalysators mit zunehmender Schwefelbeladung abnimmt, stellt die Sauerstoffspeicherfähigkeit einen empfindlichen Indikator für den Verschwefelungsgrad des Katalysators da. Ferner erlaubt die Bestimmung der Sauerstoffspeicherfähigkeit eine Differenzierung zwischen einem alterungsbedingten und einem schwefelbedingten Aktivitätseinbruch des Katalysators, insbesondere des NO_x-Speicherkatalysators. Somit können wirkungslose Entschwefelungsprozesse eines gealterten, aber schwefelfreien Katalysators vermieden werden.

Die Sauerstoffspeicherfähigkeit des mindestens eines Katalysators kann anhand eines Verlaufes einer Sauerstoffkonzentration des Abgases stromab des Katalysators ermittelt werden. Dabei lässt sich die Sauerstoffkonzentration mittels einer sauerstoffempfindlichen Messeinrichtung, beispielsweise einer Lambdasonde oder eines NO_x-Sensors, der üblicherweise ebenfalls ein Lambdaausgangssignal bereitstellt, erfassen. Typische Katalysatorsysteme bestehen häufig aus einem kleinvolumigen 3-Wege-Vorkatalysator und einem an einer motorfernen Unterbodenposition angeordneten NO_x-Speicherkatalysator als Hauptkatalysator. Nach bekannten Verfahren erfordert die selektive Bestimmung der Sauerstoffspeicherfähigkeiten der einzelnen Katalysatoren die Anordnung jeweils einer sauerstoffempfindlichen Messeinrichtung stromab eines jeden Katalysators. Um die hierdurch bedingten Mehrkosten zu vermeiden, ist in erfinderischer Weise vorgesehen, die Sauerstoffspeicherfähigkeit des mindestens einen Katalysators anhand des Verlaufs der Sauerstoffkonzentration des Abgases stromab des in Strömungsrichtung hintersten Katalysators, der in der Regel der NO_x-Speicherkatalysator ist, zu ermitteln. In Abhängigkeit eines Lambdasignals stromab des hintersten Katalysators lassen sich dann in noch zu erläuternder Weise selektiv die OSC jedes einzelnen Katalysators, insbesondere des zu entschwefelnden Katalysators, ermitteln.

Dabei kann der Verlauf der Sauerstoffkonzentration besonders vorteilhaft während beziehungsweise nach einem Wechsel eines motorischen Lambdas von einer mageren zu einer fetten Lambdavorgabe und/oder nach einem Wechsel von einer fetten zu einer mageren Lambdavorgabe erfasst und bewertet werden. Insbesondere kann dabei eine Zeitspanne erfasst und bewertet werden, die nach dem motorischen Lambdawechsel vergeht, bis ein entsprechender Lambdasprung der sauerstoffempfindlichen Messeinrichtung stromab des mindestens einen Katalysators detektiert wird. Je größer die OSC eines Katalysators beziehungsweise des Katalysatorsystems ist, desto größer ist die Zeitspanne, bis die sauerstoffsensitive Messeinrichtung den Gemischsprung erkennt.

Mittels einer einzigen, stromab des motorfernsten Katalysators angeordneten sauerstoffempfindlichen Messeinrichtung kann die OSC eines motornahen Katalysators, insbesondere eines Vorkatalysators, ermittelt werden, indem zu einem Zeitpunkt, an dem der motornahe Katalysator seine Light-off-Temperatur bereits erreicht hat, jedoch ein motorferner Katalysator, insbesondere der NO_x-Speicherkatalysator, seine Light-off-Temperatur noch nicht erreicht hat, der Lambdaverlauf stromab des motorfernsten Katalysators nach einem motorischen Lambdawechsel erfasst und bewertet wird. Dabei wird der Umstand genutzt, dass, solange der motorferne Hauptkatalysator seine Arbeitstemperatur noch nicht erreicht hat, er weder Sauerstoffeinspeicheraktivität und -ausspeicheraktivität besitzt noch katalytische Aktivität zur Umsetzung des eingespeicherten Sauerstoffs. Nachfolgend kann dann zu einem Zeitpunkt, an dem alle Katalysatoren des Systems ihre Arbeitstemperaturen erreicht haben, die Gesamt-OSC des Katalysatorsystems ermittelt werden und die Sauerstoffspeicherfähigkeit des motorfernen Katalysators mittels Differenzbildung berechnet werden.

Selbstverständlich können zur Ermittlung der Entschwefelungsnotwendigkeit neben der Sauerstoffspeicherfähigkeit weitere bekannte Kriterien berücksichtigt werden, insbesondere können eine NO_x-Konvertierungsrate beziehungsweise NO_x-Speicherrate des zu entschwefelnden Katalysators (bei regeneriertem NO_x-Speicherkatalysator) und/oder eine rechnerisch modellierte Schwefelbeladung und/oder ein seit einer vorangegangenen Entschwefelung vergangenes Intervall in die Berechnung einfließen. Auch weitere Aspekte – wie eine modellierte oder ermittelte Alterung des Katalysators – können bei der Einleitung einer Entschwefelung Berücksichtigung finden.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Steuerung einer Entschwefelung, die durch Mittel gekennzeichnet ist, mit denen eine Sauerstoffspeicherfähigkeit mindestens eines Katalysators des Katalysatorsystems ermittelbar ist und die Ermittlung der Entschwefelungsnotwendigkeit in Abhängigkeit der Sauerstoffspeicherfähigkeit als eines der Kriterien durchführbar ist.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch den Aufbau einer Verbrennungskraftmaschine mit Abgasanlage;
2 ein Fließschema zum Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung und
3a bis 3d Lambdaverläufe stromauf und -ab des Vorkatalysators und stromab des NO_x- Speicherkatalysators bei unterschiedlichen Szenarien der Katalysatorschädigung.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine 10 und einer dieser nachgeschalteten, insgesamt mit 12 bezeichneten Abgasanlage. Der Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 wird in bekannter Weise durch eine Motorsteuerung 14 in Abhängigkeit einer Vielzahl von Betriebsparametern der Verbrennungskraftmaschine 10 beziehungsweise eines von dieser angetriebenen Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt) gesteuert. Beispielsweise steuert die Motorsteuerung 14 eine der Verbrennungskraftmaschine 10 zuzuführende Luftmasse durch Stellung einer in einem nicht dargestellten Ansaugrohr angeordneten Drosselklappe in Abhängigkeit von einer angeforderten Motorlast. Desgleichen wird eine insbesondere mittels einer Kraftstoffdirekteinspritzung (nicht dargestellt) eingespritzte Kraftstoffmenge von der Motorsteuerung 14 gesteuert.
Ein von der Verbrennungskraftmaschine 10 kommendes Abgas wird durch einen Abgaskanal 16 der Abgasanlage 12 geleitet. Dort wird es über ein Katalysatorsystem gereinigt, welches einen kleinvolumigen und motornah angeordneten Vorkatalysator 18, insbesondere einen 3-Wege-Katalysator, sowie einen großvolumigen, üblicherweise an einer Unterbodenposition des Fahrzeuges angeordneten NO_x-Speicherkatalysator 20 umfasst. Der Vorkatalysator 18 dient insbesondere der Reinigung des Abgases nach einem Motorkaltstart, bis der Speicherkatalysator 20 seine Betriebstemperatur (Light-off-Temperatur) von mindestens etwa 250 °C erreicht hat. Der NO_x-Speicherkatalysator 20 speichert in mageren Betriebsphasen, in denen die Verbrennungskraftmaschine 10 mit einem Luftüberschuss bei λ > 1 betrieben wird, Stickoxide NO_x des Abgases. Ist die Speicherkapazität ausgeschöpft, wird die Verbrennungskraftmaschine 10 kurzzeitig mit einem fetten Luft-Kraftstoff-Gemisch bei λ ≤ 1 betrieben, wobei eingelagertes NO_x freigesetzt und an katalytischen Edelmetallkomponenten des Katalysators 20 zu Stickstoff reduziert wird.
Hingegen sind, um unerwünschte Schwefeleinlagerungen im NO_x-Speicherkatalysator 20 zu entfernen, Temperaturen am Speicherkatalysator 20 oberhalb von mindestens 600 °C, insbesondere von etwa 650 °C, erforderlich. Sofern diese im gewöhnlichen Fahrzeugbetrieb nicht auftreten, sind aktiv eingeleitete Entschwefelungen mit entsprechenden Heizmaßnahmen erforderlich. Bekannte Verfahren zur Katalysatorheizung sind beispielsweise Zündwinkelspätverstellung bei gleichzeitiger Erhöhung der Zylinderfüllung und/oder geteilte Kraftstoffeinspritzung mit einer Einspritzung im Ansaugtakt und einer weiteren im Verdichtungstakt. Ferner ist bekannt, die einzelnen Zylinder hinsichtlich des Luft-Kraftstoffverhältnisses gegenläufig zu vertrimmen, wobei ein chemischer Energiegehalt des Abgases steigt und die verstärkte exotherme Umsetzung an den Katalysatoren deren Aufheizung bewirkt.
Das der Verbrennungskraftmaschine 10 zuzuführende Luft-Kraftstoff-Verhältnis (motorisches Lambda λ_mot) wird in üblicher Weise mit einer der Verbrennungskraftmaschine 10 nachgeschalteten sauerstoffempfindlichen Messeinrichtung 22 geregelt, insbesondere mit einer Lambdasonde. Stromab des Speicherkatalysators 20 ist eine weitere sauerstoffempfindlichen Messeinrichtung 24 angeordnet, die beispielsweise ebenfalls eine Lambdasonde sein kann oder – wie in diesem Beispiel – ein NO_x-Sensor, der in der Lage ist, ein Lambdasignal auszugeben. Der NO_x-Sensor 24 dient einerseits der Regelung des Betriebs des Speicherkatalysators 20, insbesondere seiner NO_x-Regenerationen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird er zusätzlich zur selektiven Ermittlung der Sauerstoffspeicherfähigkeiten des Vorkatalysators 18 und des NO_x-Speicherkatalysators 20 verwendet. Die Sauerstoffspeicherfähigkeit von Vor- und/oder Hauptkatalysator wird erfindungsgemäß als ein Kriterium zur Ermittlung der Entschwefelungsnotwendigkeit herangezogen, wie nachfolgend näher erläutert wird.
Die Motorsteuerung 14 beinhaltet eine Steuereinheit 26, die einen Algorithmus zur Steuerung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Entschwefelung beinhaltet. Ferner sind in der Steuereinheit 26 betriebspunktabhängige Kennfelder sowie Rechenmodelle enthalten, die zur Ausführung des Verfahrens notwendig sind.
Nachfolgend wird anhand der 2 und 3 die Durchführung des Entschwefelungsverfahrens, insbesondere die Ermittlung der Entschwefelungsnotwendigkeit des NO_x-Speicherkatalysators 20, beschrieben.
Gemäß 2 startet das Verfahren in Schritt S1 mit der Bestimmung der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Vorkatalysators 18, OSC_VK. Die Bestimmung der OSC_VK erfolgt zu einem Zeitpunkt, zu dem der Hauptkatalysator 20 seine Light-off-Temperatur und damit auch seine Fähigkeit, Sauerstoff ein- oder auszuspeichern, noch nicht erreicht hat. In diesem Zustand ist der NO_x-Speicherkatalysator 20 nicht oder nur sehr wenig aktiv. Andererseits muss zu dem Zeitpunkt der OSC-Bestimmung des Vorkatalysators 18 dieser aber bereits betriebswarm sein. Die Bestimmung der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Vorkatalysators OSC_VK kann etwa nach einem Motorkaltstart und nachfolgend durchgeführten bekannten motorischen Verfahren zur Katalysatorheizung (siehe oben) erfolgen, wenn der Vorkatalysator 18 betriebswarm ist. Vorzugsweise wird die Bestimmung von OSC_VK ferner erst nach Abschluss eventuell vorangegangener Heizmaßnahmen des NO_x-Sensors 24 durchgeführt. Hierfür wird der NO_x-Sensor 24 primär durch eine interne Heizung auf Betriebstemperatur gebracht und nur teilweise durch das Abgas aufgeheizt. Selbstverständlich kann die Aufheizung des Vorkatalysators 18 und des NO_x-Sensors 24 parallel erfolgen. Nach Freigabe des Sensorsignals wird zur OSC-Bestimmung des Vorkatalysators 18 die Verbrennungskraftmaschine 10 kurzzeitig mit einem fetten Luft- Kraftstoff-Gemisch, insbesondere bei einem Lambdawert zwischen 0,70 und 0,99 betrieben, um den Sauerstoffspeicher des Vorkatalysators OSC_VK zunächst vollständig zu entleeren. Danach wird die Verbrennungskraftmaschine 10 auf eine magere Lambdavorgabe, beispielsweise bei λ = 1,005 bis 1,5 umgeschaltet. Stromab des Vorkatalysators 18 beziehungsweise des Speicherkatalysators 20 wird ein mageres Abgas erst dann detektiert, wenn die OSC des Vorkatalysators 18 nahezu vollständig aufgefüllt ist. Die Zeitverzögerung, mit der der Lambdawechsel stromab des Speicherkatalysators 20 detektiert wird, dient als Maß zur Bestimmung der OSC des Vorkatalysators OSC_VK. Dabei wird besonders vorteilhaft die gemessene Zeitspanne noch um die Abgaslauflänge zwischen Verbrennungskraftmaschine 10 und NO_x-Sensor 24 korrigiert, um eine höhere Genauigkeit der OSC-Bestimmung zu erzielen. Die Abgaslauflänge kann dafür in Form einer fest vorgegebenen Zeit verwendet werden oder in Abhängigkeit der Betriebsparameter kennfeldmäßig ermittelt werden.
Mit zunehmender Alterung der Katalysatoren 18 und 20 im Fahrzeugbetrieb wird die Light-off-Temperatur des Hauptkatalysators 20 zunehmend zu höheren Temperaturen verschoben. Hierdurch steigt auch die Temperatur, bei welcher ein alternierender Mager-Fett-Betrieb zu einer Sauerstoffeinspeicherung und einer Sauerstoffausspeicherung führt. Somit wird mit zunehmender Alterung des NO_x-Speicherkatalysators 20 die Bestimmung der OSC des Vorkatalysators OSC_VK unempfindlicher hinsichtlich durch den Speicherkatalysator verursachte Verfälschungen. Bei Konzepten mit einer zwischen den Katalysatoren angeordneten sauerstoffsensitiven Messeinrichtung kann die OSC-Bestimmung des Vorkatalysators 18 unabhängig von der Temperatur des Hauptkatalysators 20 durchgeführt werden.
Im anschließenden Schritt S2 wird zu einem Zeitpunkt, an dem sowohl der Vorkatalysator 18 als auch der Hauptkatalysator 20 ihre jeweilige Betriebstemperatur (Light-off-Temperatur) erreicht haben und möglichst gleichmäßig durchwärmt sind, die OSC des Gesamtsystems OSC_SUM bestimmt. Die Bestimmung der Gesamt-OSC erfolgt in gleicher Weise wie die des Vorkatalysators 18 im Schritt S1. Wiederum werden demnach bei einem unterstöchiometrischen motorischen Lambda die Sauerstoffspeicher von Vor- und Hauptkatalysator möglichst vollständig entleert, um anschließend das motorische Lambda auf einen mageren Wert einzustellen und die Zeitspanne zu messen, bis stromab des NO_x-Speicherkatalysators 20 mageres Abgas detektiert werden kann. Dabei ist die Bestimmung der Gesamt-OSC OSC_SUM umso genauer je homogener das Katalysatorsystem durchwärmt ist.
Im nachfolgenden Schritt S3 erfolgt die Ermittlung der Sauerstoffspeicherfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators/Hauptkatalysators OSC_HK durch Differenzbildung gemäß der Gleichung: OSC_HK = OSC_SUM – OSC_VK.
In dem anschließenden Schritt S4 wird eine Abfrage durchgeführt, bei der die OSC des Gesamtsystems OSC_SUM (beziehungsweise OSC_VK + OSC_HK) mit einem frei applizierbaren Schwellenwert, der in der Steuereinheit 26 gespeichert ist, verglichen wird. Ergibt die Abfrage in S4, dass die OSC des Gesamtsystems OSC_SUM (beziehungsweise OSC_VK + OSC_HK) in Ordnung ist, das heißt, dass sie den vorgegebenen Schwellenwert nicht unterschreitet, so werden keine Maßnahmen getroffen und das Verfahren geht zurück zu Schritt S1.
Wird in S4 hingegen eine gegenüber dem Schwellenwert zu niedrige OSC_SUM festgestellt, dann wird in den nachfolgenden Schritten zunächst eine Differenzierung zwischen den Sauerstoffspeicherfähigkeiten von Vor- und Hauptkatalysator durchgeführt. Dafür wird in Schritt S5 zunächst die OSC des Vorkatalysators OSC_VK mit einem in der Steuereinheit 26 gespeicherten Schwellenwert verglichen. Wird in Schritt S5 festgestellt, dass die OSC des Vorkatalysators OSC_VK in Ordnung ist, das heißt den vorgegebenen Schwellenwert nicht unterschreitet, geht das Verfahren direkt zu Schritt S7 über, wo die OSC des NO_x-Speicherkatalysators OSC_HK mit einem entsprechenden Schwellenwert verglichen wird. Wird in S5 hingegen eine zu niedrige OSC des Vorkatalysators OSC_VK ermittelt, dann wird in Schritt S6 zunächst eine Schädigung des Vorkatalysators 18 festgestellt und registriert, ehe das Verfahren zu Schritt S7 übergeht.
Wird in Schritt S7 die Abfrage bejaht, das heißt eine zufriedenstellende OSC des NO_x-Speicherkatalysators 20 festgestellt, wird keine Entschwefelung durchgeführt und das Verfahren geht zu Schritt S1 zurück.
Eine Bejahung der Abfrage in S7 bei gleichzeitiger Bejahung der Abfrage in S5 (Pfad S5 → S7 → S1) kommt allerdings aus systematischen Gründen normalerweise nicht vor, da bei einer in S4 festgestellten reduzierten Gesamt-OSC OSC_SUM und zufriedenstellender OSC des Vorkatalysators OSC_VK (S5) nur eine reduzierte OSC des Hauptkatalysators OSC_HK in Frage kommt.
Andererseits ist die Möglichkeit, dass ein defekter Vorkatalysator 18 (S5, S6) bei intaktem Hauptkatalysator 20 (S7) festgestellt wird (Pfad S5 → S6 → S7 → S1), ebenfalls von eher untergeordneter Bedeutung, da eine Schwefelvergiftung üblicherweise eher im Hauptkatalysator 20 detektiert wird. Dies ist auf die motornahe Anordnung des Vorkatalysators 18 und seine damit verbundenen höheren Betriebstemperaturen zurückzuführen. Unter diesen Bedingungen erfolgt bereits bei leichten Beschleunigungen beziehungsweise erhöhter Teillast bei unterstöchiometrischen Lambdawerten eine Freisetzung der in dem Vorkatalysator 18 eingelagerten Schwefelkomponenten und deren Umlagerung in den Hauptkatalysator 20 beziehungsweise – bei ebenfalls sauerstofffreiem NO_x-Speicherkatalysator 20 – der Austrag aus dem Gesamtsystem. Ein Einbruch der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Vorkatalysators 18 ist somit in aller Regel auf eine Alterung des Katalysators zurückzuführen.
Wird in Schritt S7 eine zu geringe Sauerstoffspeicherfähigkeit des Hauptkatalysators OSC_HK festgestellt, wird in Schritt S8 zunächst überprüft, ob der NO_x-Speicherkatalysator 20 einen Aktivitätseinbruch bezüglich seiner NO_x-Einspeicherung beziehungsweise -Konvertierung aufweist. Dieses kann in bekannter Weise mit Hilfe der stromab des NO_x-Speicherkatalysators 20 angeordneten sauerstoffempfindlichen Messeinrichtung 24 durchgeführt werden, wobei auch hierfür sowohl eine Lambdasonde oder auch ein NO_x-Sensor Anwendung finden kann.
Zeigt der NO_x-Speicherkatalysator 20 in Schritt S8 eine ausreichende NO_x-Einspeicherungsbeziehungsweise NO_x-Konvertierungsleistung, so wird in Schritt S9 überprüft, wie lange die letzte Entschwefelung zurückliegt. Dafür wird das seit der letzten Entschwefelung vergangene Intervall T_DeSu mit einem in der Steuereinheit 26 applizierten Schwellenwert SW1 verglichen. Dabei kann für das Intervall T_DeSu eine seit der letzten Entschwefelung kumulierte Fahrzeit, eine kumulierte Kilometerleistung seit der letzten Entschwefelung oder auch eine seit der letzten Entschwefelung unter überstöchiometrischen (mageren, λ > 1) Bedingungen durchgesetzte Kraftstoffmasse als Kriterium herangezogen werden. Es muss sich hier als_o nicht zwangsläufig um eine Zeitspanne handeln. Solange |T_DeSu| den Schwellenwert SW1 nicht überschreitet, die letzte Entschwefelung also relativ kurz zurückliegt, ist keine Entschwefelung des Katalysators 20 notwendig und das Verfahren geht zurück zu Schritt S1. In diesem Fall liegt eine selektive Alterung des NO_x-Speicherkatalysators 20 vor oder eine Schwefelbeladung, welche jedoch noch keine so starke Beeinträchtigung der NO_x-Speicherfähigkeit darstellt, dass der verbrauchsgünstige Magerbetrieb nachteilig beeinflusst wird.
Für den Fall, dass die Abfrage in Schritt S9 bejaht wird, das heißt zusätzlich zu der eingeschränkten OSC des Hauptkatalysators OSC_HK auch ein langes Fahrintervall T_DeSu seit der letzten Entschwefelung verstrichen ist bei gleichzeitig zufriedenstellender NO_x-Speicherleistung (S8), kann auf eine gewisse Verschwefelung des NO_x-Speicherkatalysators 20 geschlossen werden. In diesem Fall geht das Verfahren zu Schritt S12 über, um eine Entschwefelung DeSu durchzuführen. Zwar ist der Verschwefelungsgrad hier noch nicht derart kritisch, dass ein Magerbetrieb nicht mehr möglich ist, jedoch ist hier die relativ frühzeitige Entschwefelung von Vorteil, da in diesem Stadium ein leichterer und vollständiger Schwefelaustrag möglich ist und die H₂S-Bildung während der Entschwefelung effektiver unterdrückt werden kann.
Zur Durchführung der Entschwefelung DeSu in S12 wird in bekannter Weise zunächst eine Katalysatorheizmaßnahme ausgelöst und bei Vorliegen einer ausreichenden Temperatur am NO_x-Speicherkatalysator 20, beispielsweise bei 650 °C, der Speicherkatalysator 20 mit einer unterstöchiometrischen Abgasatmosphäre beaufschlagt. Vorzugsweise wird nach einer bekannten Vorgehensweise dabei die Verbrennungskraftmaschine 10 alternierend in Mager- und Fettintervallen betrieben, um eine Bildung von H₂S weitgehend zu unterdrücken.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird in diesem Fall zunächst nur eine Anforderung zur Entschwefelung ausgegeben, um bei im Fahrbetrieb auftretenden hohen Temperaturen im NO_x-Speicherkatalysator 20 die Entschwefelung auszulösen. Entsprechend hohe Katalysatortemperaturen treten insbesondere bei hohen Motorlasten, beispielsweise bei Autobahnfahrten auf. Sollten sich ausreichende Katalysatortemperaturen nicht innerhalb einer festgelegten Zeit, Kilometerleistung oder durchgesetzten Kraftstoffmasse einstellen, wird der Katalysator 20 wie beschrieben aktiv aufgeheizt. Diese Variante hat den Vorteil der Einsparung des für die aktive Katalysatorheizung notwendigen Kraftstoffmehrverbrauchs.
Wird in Schritt S8 zusätzlich zu der eingeschränkten OSC des Speicherkatalysators OSC_HK auch eine zu geringe NO_x-Speicher- beziehungsweise Konvertierungsleistung festgestellt, geht das Verfahren zu Schritt S10 über. In Schritt S10 wird wiederum überprüft, ob das seit der letzten Entschwefelung vergangene Intervall T_DeSu eine zweite frei applizierte Schwelle SW2, die kleiner ist als SW1 (SW1 >> SW2), überschreitet. Wird der Schwellenwert SW2 überschritten und die Abfrage in S10 bejaht, ist der Aktivitätseinbruch auf eine mögliche Schwefelvergiftung zurückzuführen und eine Entschwefelung des Katalysators wird in Schritt S12 angefordert und wie oben beschrieben durchgeführt.
Ist die Schwelle SW2 noch nicht erreicht, das heißt, die letzte Entschwefelung liegt relativ kurz zurück, kann darauf geschlossen werden, dass der Aktivitätseinbruch nicht auf eine Schwefelvergiftung der aktiven Zentren des Speicherkatalysators 20 zurückzuführen ist und eine Entschwefelung hier Abhilfe schafft. In diesem Fall wird in Schritt S11 auf eine selektive Alterung des Hauptkatalysators geschlossen.
Die beiden Schwellen SW1 und SW2 stellen eine "harte" beziehungsweise "weiche" Bedingung zur Entschwefelungsauslösung dar und sollen eine zu große Entschwefelungsfrequenz, das heißt eine zu häufige Entschwefelung verhindern. Demnach wird, solange in Schritt S9 die Schwelle SW1 unterschritten wird, trotz eingeschränkter OSC des NO_x-Speicherkatalysators OSC_HK zugunsten der Verbrauchseinsparung keine Entschwefelung durchgeführt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird nach Möglichkeit bei jeder Fahrt eine Bestimmung der selektiven Sauerstoffspeicherfähigkeiten der Katalysatoren durchgeführt. Kann diese Bestimmung – aus welchen Gründen auch immer – einmal nicht durchgeführt werden, so werden die bei der letzten Bestimmung ermittelten OSC-Werte "eingefroren" und weiterhin verwendet, bis eine Neubestimmung möglich ist. Gleichzeitig werden die zur Bestimmung des Entschwefelungsintervalls T_DeSu benötigten Werte, das heißt kumulierte Kilometerleistung seit der letzten Entschwefelung beziehungsweise im Magerbetrieb durchgesetzte Kraftstoffmasse, weiterhin erfasst. Auf diese Weise kann auch in einem Ausnahmezustand eine sichere Entschwefelung des Katalysators gewährleistet werden.
Die 3a bis 3d stellen verschiedene Szenarien der Katalysatorschädigung im Überblick dar. Dabei zeigt 3a das Szenarium mit frischem Vor- und Hauptkatalysator 18, 20; 3b das Szenarium mit frischem Vorkatalysator 18 und schwefelvergiftetem und/oder gealtertem Hauptkatalysator 20; 3c das Szenarium mit gealtertem Vorkatalysator 18 und frischem Hauptkatalysator 20 und schließlich 3d das Szenarium mit jeweils gealterten und/oder schwefelvergifteten Katalysatoren 18 und 20.
Auf der jeweils rechten Seite der 3a bis 3d sind vereinfacht die Verläufe des motorischen Lambdas λ_mot, des stromab des Vorkatalysators 18 vorliegenden Abgaslambdas λ_nVK sowie des mit dem Gassensor 24 stromab des Hauptkatalysators erfassten Abgaslambdas λ_nHK während eines motorischen Lambdasprungs zur Bestimmung der OSC der Katalysatoren dargestellt. Im Falle des betriebswarmen Vorkatalysators 18 und betriebskalten (inaktiven) Hauptkatalysators 20 entspricht λ_nVK gleichzeitig dem stromab des Hauptkatalysators mit dem NO_x-Sensor 24 gemessenen Lambdaverlauf, während der Verlauf λ_nHK nur bei Durchwärmung beider Katalysatoren 18, 20 gemessen wird.
Dabei bezeichnet Δt_VK die Zeitverzögerung, die in Schritt S1 aus 2 zur Bestimmung der OSC des Vorkatalysators OSC_VK bei betriebskaltem Hauptkatalysator 20 gemessen wird. Δt_SUM bezeichnet hingegen die in Schritt S2 gemessene Zeitspanne bei betriebswarmem Katalysatorsystem, die zur Ermittlung der Gesamtsauerstoffspeicherfähigkeit OSC_SUM herangezogen wird. Schließlich bezeichnet Δt_HK die der Differenz aus Δt_SUM und Δt_VK entsprechende Größe, die proportional zur Sauerstoffspeicherfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators OSC_HK ist. Zu beachten sind hier die unterschiedlichen Zeitspannen Δt, die abhängig von dem Schädigungsmuster der Katalysatoren 18, 20 ermittelt werden. Grundsätzlich gilt, dass mit zunehmendem Schädigungsgrad eines Katalysators seine Sauerstoffspeicherfähigkeit abnimmt und damit auch die Zeitspanne Δt, mit der ein Lambdasprung stromab des jeweiligen Katalysators detektiert wird. Mithin stellt die OSC eines Katalysators eine geeignete und empfindliche Größe zur Ermittlung seines Zustands dar.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird erreicht, dass die Anforderung einer Entschwefelung nicht mehr rein modellgestützt, beziehungsweise erst nach Erkennen eines entsprechenden Aktivitätsverlustes durch eine sauerstoffsensitive Messeinrichtung nach dem Hauptkatalysator erfolgt, sondern vielmehr in Abhängigkeit der sich verringernden Sauerstoffspeicherfähigkeit in Kombination mit der sich einstellenden NO_x-Einlagerungsfähigkeit. Hierdurch kann der Zustand der Katalysatoren hinsichtlich Schwefelvergiftung beziehungsweise Alterung genauer differenziert werden und unnötig ausgelöste Entschwefelungen, welche sich direkt durch einen Anstieg der Emissionen beziehungsweise Mehrverbrauch gegenüber dem normalen Motorbetrieb darstellen, können vermieden werden.

10: Verbrennungskraftmaschine
12: Abgasanlage
14: Motorsteuerung
16: Abgaskanal
18: Vorkatalysator
20: NO_x-Speicherkatalysator
22: Lambdasonde
24: NO_x-Sensor
26: Steuereinheit
λ_mot: motorischer Lambdawert (= Verbrennungslambda)
λ_nHK: Abgaslambda nach Hauptkatalysator/NO_x-Speicherkatalysator
λ_nVK: Abgaslambda nach Vorkatalysator
λ_f: fette Lambdavorgabe
λ_m: magere Lambdavorgabe
OSC: Sauerstoffspeicherfähigkeit (oxygen storage capacity)
OSC_VK: Sauerstoffspeicherfähigkeit des Vorkatalysators
OSC_HK: Sauerstoffspeicherfähigkeit des Hauptkatalysators
T_DeSu: seit der letzten Entschwefelung vergangenes Intervall
SW1: "weicher" Schwellenwert für T_DeSu
SW2: "harter" Schwellenwert für T_DeSu

Claims

Verfahren zur Entschwefelung mindestens eines Katalysators (18, 20) eines einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine (10) nachgeschalteten Katalysatorsystems, wobei eine Entschwefelungsnotwendigkeit in Abhängigkeit zumindest eines Kriteriums ermittelt wird und wobei während der Entschwefelung der mindestens eine zu entschwefelnde Katalysator (18, 20) bei einer erhöhten Temperatur zumindest zeitweise mit einem fetten Abgas mit λ < 1 beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Kriterium zur Ermittlung der Entschwefelungsnotwendigkeit eine Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC) mindestens eines Katalysators (18, 20) des Katalysatorsystems umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Kriterium die Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC) des zu entschwefelnden Katalysators (18, 20) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffspeicherfähigkeit des mindestens einen Katalysators (18, 20) anhand eines Verlaufes einer Sauerstoffkonzentration des Abgases stromab des Katalysators (18, 20) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffspeicherfähigkeit des mindestens einen Katalysators (18, 20) anhand eines Verlaufes einer Sauerstoffkonzentration des Abgases stromab des in Strömungsrichtung hintersten Katalysators (20) des Katalysatorsystems ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des Verlaufes der Sauerstoffkonzentration des Abgases stromab des hintersten Katalysators (20) selektiv die Sauerstoffspeicherfähigkeit einzelner Katalysatoren (18, 20) des Katalysatorsystems, insbesondere des zu entschwefelnden Katalysators, ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Sauerstoffkonzentration nach einem Wechsel eines motorischen Lambdas (λ_mot) von einer mageren Lambdavorgabe (λ_m) zu einer fetten Lambdavorgabe (λ_f) und/oder nach einem Wechsel von einer fetten Lambdavorgabe (λ_f) zu einer mageren Lambdavorgabe (λ_m) erfasst und bewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zeitspanne von dem Wechsel des motorischen Lambdas (λ_mot) bis zu einem Lambdasprung stromab des mindestens einen Katalysators (18, 20), insbesondere stromab des hintersten Katalysators (20), erfasst und bewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zu einem Zeitpunkt, an dem ein motornaher Katalysator (18) seine Light-off-Temperatur erreicht hat und ein motorferner Katalysator (20) seine Light-off-Temperatur noch nicht erreicht hat, zunächst die Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC_VK) des motornahen Katalysators (18) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zu einem Zeitpunkt, an dem alle Katalysatoren (18, 20) des Katalysatorsystems ihre Light-off-Temperaturen erreicht haben, die gesamte Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC_SUM) des Katalysatorsystems ermittelt wird und die Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC_HK) des motorfernen Katalysators (20) aus der Differenz der gesamten Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC_SUM) des Katalysatorsystems und der Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC_VK) des motornahen Katalysators (18) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffkonzentration mit einer dem Katalysator (18, 20) nachgeschalteten sauerstoffempfindlichen Messeinrichtung (24), insbesondere einer Lambdasonde oder eines NO_x-Sensors, erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zu entschwefelnde Katalysator ein NO_x-Speicherkatalysator (20) ist, dem insbesondere ein Vorkatalysator (18) vorgeschaltet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Kriterium zur Ermittlung der Entschwefelungsnotwendigkeit neben der Sauerstoffspeicherfähigkeit eine NO_x-Speicherfähigkeit und/oder eine NO_x-Konvertierungsrate des zu entschwefelnden Katalysators (18, 20) und/oder eine Schwefelbeladung und/oder ein Intervall seit einer vorangegangenen Entschwefelung umfasst.
Vorrichtung zur Steuerung einer Entschwefelung mindestens eines Katalysators (18, 20) eines einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine (10) nachgeschalteten Katalysatorsystems, wobei eine Entschwefelungsnotwendigkeit in Abhängigkeit zumindest eines Kriteriums ermittelbar ist und mit denen während der Entschwefelung der mindestens eine zu entschwefelnde Katalysator (18, 10) bei einer erhöhten Temperatur zumindest zeitweise mit einem fetten Abgas mit λ < 1 beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, mit denen eine Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC) mindestens eines Katalysators (18, 20) des Katalysatorsystems ermittelbar ist und die Ermittlung der Entschwefelungsnotwendigkeit in Abhängigkeit der Sauerstoffspeicherfähigkeit (OSC) als eines der Kriterien durchführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine stromab des mindestens einen Katalysators (18, 20), insbesondere stromab des in Strömungsrichtung hintersten Katalysators (20) des Katalysatorsystems, angeordnete sauerstoffempfindliche Messeinrichtung (24), insbesondere eine Lambdasonde oder einen NO_x-Sensor, umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine Steuereinheit (26) umfassen, in der ein Algorithmus zur Steuerung der Entschwefelung hinterlegt ist.