DE10349854A1

DE10349854A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Entschwefelung eines NOx-Speicherkatalysators

Info

Publication number: DE10349854A1
Application number: DE2003149854
Authority: DE
Inventors: Matthias Holz; Markus Paulovsky; Ekkehard Dr. Pott
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2003-10-22
Filing date: 2003-10-22
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2023-10-23
Also published as: DE10349854B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entschwefelung mindestens eines in einem Abgaskanal (14) einer Verbrennungskraftmaschine (10) angeordneten NO¶X¶-Speicherkatalysators (18), wobei bei einer Entschwefelungstemperatur des NO¶X¶-Speicherkatalysators (18) dieser alternierend in Magerintervallen mit einem überstöchiometrischen Abgas mit einem Lambdawert > 1 und in Fettintervallen mit einem unterstöchiometrischen Abgas mit einem Lambdawert < 1 beaufschlagt wird. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass eine Umschaltung der Verbrennungskraftmaschine (10) von einem Magerintervall mit einer motorischen Lambdamagervorgabe (lambda¶M¶) mit lambda¶M¶ > 1 in ein Fettintervall derart durchgeführt wird, dass zunächst der motorische Lambdawert auf ein Übergangslambda (lambda¶t¶) mit lambda¶t¶ < lambda¶M¶ abgesenkt wird und anschließend eine weitere, ein- oder mehrstufige oder kontinuierliche Absenkung in Richtung fetterer Lambdawerte erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entschwefelung mindestens eines in einem Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten NO_x-Speicherkatalysators.

Bekannte, zur Abgasreinigung eingesetzte Katalysatorsysteme umfassen häufig einen motornah angeordneten, kleinvolumigen Vorkatalysator und einen in einem Abgasweg weiter stromab angeordneten, größeren Hauptkatalysator. Abhängig von einem Motortyp können die Katalysatorkomponenten dabei als Oxidationskatalysatoren zur Konvertierung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC und Kohlenmonoxid CO ausgestaltet sein, als Reduktionskatalysatoren zur Reduzierung von Stickoxiden NO_x oder als 3-Wege-Katalysatoren, welche die genannten oxidativen und reduktiven Konvertierungen gleichzeitig fördern. Im Falle magerlauffähiger Verbrennungskraftmaschinen kann der Hauptkatalysator zusätzlich mit einer NO_x Speicherkomponente ausgestattet sein, der in mageren Betriebsphasen, in denen die Verbrennungskraftmaschine mit einem sauerstoffreichen Luft-Kraftstoff-Gemisch mit λ > 1 betrieben wird, einen Überschuss an Stickoxiden NO_x einspeichert, um diese in fetten Betriebsintervallen wieder freizusetzen und zu reduzieren. Derartige Katalysatoren werden auch als NO_x-Speicherkatalysatoren bezeichnet.

Ein in der Abgasreinigung bekanntes Problem stellt in Kraftstoffen enthaltener Schwefel dar, der im Verbrennungsprozess nahezu vollständig zu Schwefeldioxid SO₂ verbrannt wird und sich in unterschiedlichen Formen an den verschiedenen Komponenten des Katalysatorsystems einlagert. Dieses Problem betrifft besonders NO_x-Speicherkomponenten von NO_x-Speicherkatalysatoren, die SO₂ bei mageren Verbrennungslambdas mit einem nahezu 100%igen Einlagerungswirkungsgrad in Form von Sulfat SO₄ ^2- speichern. Die Folge ist eine schleichende Abnahme der NO_x-Speicherfähigkeit des Speicherkatalysators (Schwefelvergiftung), welche die Entwicklung verschiedener Entschwefelungsverfahren für NO_x-Speicherkatalysatoren notwendig gemacht hat. Auch bei Verwendung von so genanntem schwefelfreien Kraftstoff findet eine – wenn auch verlangsamte – Verschwefelung der Katalysatoren statt, da auch dieser Kraftstoff noch Schwefelgehalte von bis zu 10 ppm aufweist und zudem auch Schwefelanteile aus dem verwendeten Schmieröl zu einer gewissen Verschwefelung führen.

Zur Austreibung des Schwefels aus dem Katalysator sind Entschwefelungstemperaturen des Katalysators von mindestens 600 °C, typischerweise von 630 bis 720 °C, sowie eine fette Abgasatmosphäre notwendig. Stellen sich derartige Bedingungen im normalen Fahrzeugbetrieb, beispielsweise im Stadtverkehr im unteren Lastbereich, nicht ein, muss eine Entschwefelung aktiv eingeleitet werden. Hierfür wird der Katalysator zunächst auf die erforderliche Entschwefelungstemperatur aufgeheizt und anschließend zumindest zeitweise mit fettem Abgas beaufschlagt, um das eingespeicherte Sulfat zu desorbieren und hauptsächlich zu SO₂ zu reduzieren. Weiterentwicklungen des Entschwefelungsverfahrens streben einen möglichst geringen Wirkungsgradverlust des Motors während der Entschwefelung an sowie möglichst geringe Schadstoffemissionen, insbesondere an H₂S, COS, CO, HC. Gleichzeitig soll der durch zu häufige und zu lange Entschwefelungen entstehende Verbrauchsnachteil minimiert werden. Um während der Entschwefelung eine unerwünschte Bildung von Schwefelwasserstoff H₂S zu unterdrücken, beschreiben die DE 198 27 195 A und die DE 198 49 082 A eine alternierende Beaufschlagung des Katalysators in Magerintervallen mit einem überstöchiometrischen Abgas mit einer Lambdamagervorgabe größer Eins und in Fettintervallen mit einem unterstöchiometrischen Abgas mit einer Lambdafettvorgabe kleiner Eins. Darüber hinaus ist bekannt, die Umschaltung zwischen den Mager- und Fettintervallen geregelt durchzuführen, wobei eine Umschaltung in das Magerintervall erfolgt, sobald stromab des Katalysators ein fettes Abgaslambda gemessen wird, und ein Umschalten in das Fettintervall bei Messung eines mageren Lambdawertes.

Neben der Verschwefelung von NO_x-Speicherkomponenten kommt es – allerdings in viel geringerem Ausmaß – auch zu einer Einlagerung von Schwefel in andere Komponenten des NO_x-Speicherkatalysators. Dieses sind im Wesentlichen sauerstoffspeichernde Komponenten (OSC für oxygen storage components), insbesondere Ce, Al und Si, aber auch Edelmetalle der katalytischen Komponenten, wie Pt, Pd und Rh. Bei Katalysatortemperaturen, die oberhalb einer Komponenten-spezifischen Desorptionstemperatur liegen (etwa 400 bis 450 °C bei OSC und etwa 500 °C bei Edelmetallen) und unter einer fetten Abgasatmosphäre, kann der eingelagerte Schwefel wieder ausgetrieben werden. Problematisch ist hier, dass der aus den OSC und den Edelmetallen während der Entschwefelung freigesetzte Schwefel zum Teil von den NO_x-Speicherkomponenten des Katalysators umgehend wieder eingelagert wird, so dass der Entschwefelungserfolg beeinträchtigt wird. Aber auch zwischen den NO_x-Speicherplätzen des NO_x- Speicherkatalysators kommt es während der Entschwefelung zu einer axialen Umlagerung von Schwefel aus vorderen Katalysatorbereichen auf weiter stromab gelegene Bereiche. Die Folge ist eine häufige Entschwefelungsnotwendigkeit des Hauptkatalysators und ein hierdurch verursachter hoher Kraftstoffmehrverbrauch. Dieses Problem betrifft insbesondere neue Speicherkatalysatoren, bei denen primär ein Eintrittsbereich des Katalysators mit Schwefel beladen wird, welcher während der Entschwefelung auf weiter stromab gelegene Komponenten umlagert. Mit zunehmender Alterung des Katalysators nimmt dieser Effekt ab, da der Katalysator über seine gesamte axiale Länge an Sauerstoffspeicherfähigkeit verliert und damit auch weniger Schwefel anlagert.

Um eine unerwünschte Umlagerung des im Vorkatalysator eingelagerten Schwefels in den Speicherkatalysator zu vermeiden, schlägt die DE 100 59 791 A vor, in wiederkehrenden Abständen den Vorkatalysator umlagerungsfrei zu entschwefeln. Dafür wird zunächst bei einem fetten Abgaslambda der Sauerstoffspeicher des NO_x-Speicherkatalysators entleert und anschließend bei einem weniger fetten Abgaslambda der im Vorkatalysator eingelagerte Schwefel, insbesondere in Form von H₂S, ausgetrieben. Unter diesen Bedingungen lagert der aus dem Vorkatalysator freigesetzte Schwefel nicht in den Speicherkatalysator ein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Entschwefelung eines Katalysators, insbesondere eines NO_x-Speicherkatalysators, vorzuschlagen, bei dem eine möglichst vollständige Entfernung des Schwefels aus dem Katalysator erreicht wird. Insbesondere soll eine Umlagerung innerhalb des Katalysators von einer Speicherkomponente auf eine andere und/oder eine axiale Umlagerung von einem NO_x Speicherplatz auf einen anderen vermieden werden. Es soll ferner eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 12 genannten Merkmalen gelöst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Umschaltung der Verbrennungskraftmaschine von einem Magerintervall mit einer motorischen Lambdamagervorgabe (λ_M) mit λ_M > 1 in ein Fettintervall derart durchgeführt wird, dass zunächst der motorische Lambdawert auf ein Übergangslambda (λ_t) mit λ_t < λ_M abgesenkt wird und anschließend eine weitere, ein- oder mehrstufige oder kontinuierliche Absenkung in Richtung fetterer Lambdawerte erfolgt. Anders als gemäß Stand der Technik üblich, erfolgt erfindungsgemäß der Übergang von magerem zu fettem Abgas nicht abrupt in einem Schritt, sondern, indem zunächst ein Übergangslambda eingestellt wird, das insbesondere zumindest annähernd stöchiometrisch oder leicht unterstöchiometrisch ist, vorzugsweise einen Wert zwischen 0,97 und 1,01 annimmt, ehe eine weitere Anfettung erfolgt. Auf diese Weise erfolgt zunächst eine Entfernung zumindest eines Teils des im Speicherkatalysator eingelagerten Sauerstoffs, der mit den im Abgas beim Übergangslambda vorhandenen Reduktionsmitteln (HC, CO, H₂) umgesetzt und aus dem Katalysator ausgetragen wird. Andererseits erfolgt unter den milden Übergangsbedingungen nur ein geringer Austrag des als Sulfat eingelagerten Schwefels, da die für seine Reduktion erforderlichen Reduktionsmittelkonzentrationen nicht vorliegen. Erst bei den nachfolgend eingestellten fetteren Lambdawerten reicht die Reduktionsmittelkonzentration aus, um den Schwefel zu desorbieren und hauptsächlich zu SO₂ zu reduzieren und aus dem Katalysator auszutragen. Für eine erneute Einlagerung (Umlagerung) des Schwefels innerhalb des NO_x-Speicherkatalysators ist zunächst aber die Oxidation von SO₂ zu SO₃ erforderlich. Hierfür steht der notwendige Sauerstoff jedoch nicht zur Verfügung, wodurch die katalysatorinterne Schwefelumlagerung während der Entschwefelung wirkungsvoll unterdrückt werden kann. Aus diesem Grund ist bevorzugt vorgesehen, den niedrigsten (fettesten) Lambdawert innerhalb eines Fettintervalls erst dann einzustellen, wenn der Sauerstoffspeicher des NO_x-Speicherkatalysators zumindest weitgehend sauerstofffrei ist. Dieser Zeitpunkt lässt sich vorteilhaft mit einer dem Katalysator nachgeschalteten sauerstoffsensitiven Messeinrichtung in einfacher Weise ermitteln.

Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Strategien zur Gestaltung des Übergangs von mager nach fett möglich. Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das zunächst eingestellte Übergangslambda für eine Übergangsdauer gehalten und anschließend der motorische Lambdawert auf eine Lambdafettvorgabe abgesenkt. Diese Absenkung erfolgt insbesondere stufenweise, wobei vorzugsweise eine einzige Stufe vorgesehen ist. Dabei wird die Übergangsdauer, während welcher das Übergangslambda gehalten wird, vorteilhaft derart bemessen, dass am Ende der Übergangsdauer der Sauerstoffspeicher des NO_x-Speicherkatalysators zumindest weitgehend sauerstofffrei ist. Dafür kann die Übergangsdauer als eine frei applizierbare Zeit vorgegeben werden oder in Abhängigkeit eines Sensorsignals der dem Katalysator nachgeschalteten sauerstoffempfindlichen Messeinrichtung geregelt werden.

Nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird ausgehend von dem Übergangslambda der Lambdawert mit einer kontinuierlichen Funktion bis maximal auf eine Lambdafettvorgabe, die kleiner als das Übergangslambda ist, weiter abgesenkt. Für diese Anfettung wird vorzugsweise eine kontinuierliche Funktion verwendet, die eine zunehmend größer werdende negative Steigung aufweist. Ein derartig progressiver Anfettungsverlauf hat den Vorteil, dass bei der zunächst vorliegenden niedrigen Anfettungsgeschwindigkeit zunächst hauptsächlich Sauerstoff aus dem Speicherkatalysator ausgetragen wird und erst die späteren, fetteren Lambdawerte das Austragungsverhältnis zugunsten des SO₂ verschieben. Bei dieser kontinuierlichen Anfettungsstrategie kann entweder bis zu der frei applizierbaren Lambdafettvorgabe abgesteuert werden und diese für eine Fettdauer gehalten werden. Alternativ kann die kontinuierliche Anfettung so lange erfolgen, bis die nachgeschaltete sauerstoffsensitive Messeinrichtung einen Lambdasprung in Richtung Fett anzeigt oder eine Unterschreitung einer vorgegebenen Lambdaschwelle.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Entschwefelung mindestens eines in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten NO_x-Speicherkatalysators, umfassend Mittel zur Steuerung der Entschwefelung derart, dass bei einer Entschwefelungstemperatur des NO_x-Speicherkatalysators dieser alternierend in Magerintervallen mit einem überstöchiometrischen Abgas mit einem Lambdawert > 1 und in Fettintervallen mit einem unterstöchiometrischen Abgas mit einem Lambdawert < 1 beaufschlagt wird, und eine Umschaltung der Verbrennungskraftmaschine von einem Magerintervall mit einer motorischen Lambdamagervorgabe (λ_M) mit λ_M > 1 in ein Fettintervall derart durchgeführt wird, dass zunächst der motorische Lambdawert auf ein Übergangslambda (λ_t) mit λ_t < λ_M abgesenkt wird und anschließend eine weitere, ein- oder mehrstufige oder kontinuierliche Absenkung in Richtung fetterer Lambdawerte erfolgt. Dabei umfassen die Steuerungsmittel insbesondere einen vorzugsweise in einer Motorsteuerung hinterlegten Programmalgorithmus zur Steuerung der Entschwefelung in der beschriebenen Weise.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch eine Anordnung einer Verbrennungskraftmaschine mit nachgeschaltetem Katalysatorsystem;
2 einen typischen Verlauf eines motorisch eingestellten Abgaslambdas während einer Entschwefelung gemäß Stand der Technik;
3 einen Verlauf des motorischen Abgaslambdas während einer Entschwefelung gemäß einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
4 einen Verlauf des motorischen Abgaslambdas während einer Entschwefelung gemäß einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
5 einen Verlauf des motorischen Abgaslambdas während einer Entschwefelung gemäß einer dritten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Bei der in der 1 dargestellten Verbrennungskraftmaschine 10 handelt es sich um einen magerlauffähigen Motor, insbesondere einen Ottomotor, der vorzugsweise mit einer Kraftstoffdirekteinspritzung ausgestattet ist und in einem verbrauchsgünstigen Schichtlademodus betrieben werden kann.
Der Verbrennungskraftmaschine 10 ist eine insgesamt mit 12 bezeichnete Abgasanlage zugeordnet. Die Abgasanlage 12 umfasst einen Abgaskanal 14, in dem in einer motornahen Position ein kleinvolumiger Vorkatalysator 16 – typischerweise ein 3-Wege-Katalysator – sowie in einer Unterbodenposition des Fahrzeuges ein großvolumiger NO_x-Speicherkatalysator 18 angeordnet ist. Unter einem NO_x-Speicherkatalysator 18 wird zur Abgrenzung von einem 3-Wege-Katalysator hier eine Vorrichtung verstanden, die im Frischzustand (ungebraucht, aber nach Konditionierung von 4 Stunden bei 650 ±30 °C mittlerer Katalysatortemperatur und λ = 1 ±0,03 mit höchstens 1,5 % O₂ im zuströmenden Gas mit Raumgeschwindigkeit 20.000 ±5.000 h^-1) bei 350 ±20 °C mittlerer Katalysatortemperatur – unmittelbar nach einer Regenerationsphase von mindestens 60 Sekunden mit λ < 0,9 – bei einer Raumgeschwindigkeit von 40.000 ±20.000 h^-1 bei λ = 2,2 ±0,2, einer HC-Eingangskonzentration unter 100 ppm HC3 und einer NO_x Eingangskonzentration von 250-500 ppm nach Einlagerung einer NO₂ Masse von 500 mg/l Katalysatorvolumen, einen NO_x-Speicherwirkungsgrad von mindestens 80 %, insbesondere mindestens 90 %, vorzugsweise mindestens 95 %, aufweist.
Neben dem Katalysatorsystem 16, 18 beherbergt der Abgaskanal 14 üblicherweise verschiedene, im Einzelnen nicht gezeigte Gas- und/oder Temperatursensoren zur Regelung des Betriebszustandes der Verbrennungskraftmaschine 10. Dargestellt ist hier lediglich eine Lambdasonde 20, die motornah stromauf des Vorkatalysators 16 angeordnet ist und der Lambdaregelung der Verbrennungskraftmaschine 10 dient, das heißt der Einstellung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches gemäß einem betriebspunktabhängig vorgegebenen Lambdawert. Stromab des NO_x-Speicherkatalysators 18 ist eine weitere sauerstoffempfindliche Messeinrichtung 22 installiert, die beispielsweise ein NO_x-Sensor sein kann, welcher mit einer Lambdamessfunktion ausgestattet ist, oder ebenfalls eine Lambdasonde. Beide Gassensoren 20 und 22 übermitteln ein von einem Sauerstoffanteil des Abgases abhängiges Signal an eine Motorsteuerung 24, in welcher es digitalisiert und weiterverarbeitet wird. Insbesondere ordnet die Motorsteuerung 24 den Sensorsignalen anhand von abgespeicherten Kennlinien der Sensoren 20 und 22 einen Sauerstoffanteil des Abgases zu.
Die Motorsteuerung 24 erhält außerdem über im Einzelnen nicht dargestellte Sensoren und dergleichen Informationen über verschiedene Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 10 und des Fahrzeuges. Insbesondere gehen Parameter, wie Motordrehzahl und Motorlast, in die Motorsteuerung 24 ein. In Abhängigkeit von diesen Parametern steuert die Motorsteuerung 24 den Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine 10. Beispielsweise steuert sie in Abhängigkeit von der Motorlast einen der Verbrennungskraftmaschine 10 zugeführten Luftmassenstrom durch Steuerung einer Stellung einer in einem Ansaugrohr 26 angeordneten Drosselklappe 28. Weitere Betriebsparameter, wie Kraftstoffmenge, Zündwinkel, Ventilöffnungszeiten und dergleichen, werden ebenfalls durch die Motorsteuerung 24 gesteuert, wobei diese auf abgespeicherte Kennfelder und Steueralgorithmen zugreift.
Die Motorsteuerung 24 umfasst insbesondere einen gespeicherten Algorithmus zur Durchführung eines Verfahrens zur Entschwefelung des NO_x-Speicherkatalysators 18, welches anhand der folgenden Figuren näher erläutert ist. Dabei zeigt 2 den Verlauf des motorischen Lambdawertes λ, das heißt den Verlauf des stromauf des Vorkatalysators 16 vorliegenden Abgaslambdas, bei einer Entschwefelungsstrategie gemäß Stand der Technik. Die 3 bis 5 hingegen stellen den motorischen Lambdawert gemäß drei bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung dar.
Sobald gemäß 2 die Motorsteuerung 24 eine Entschwefelungsnotwendigkeit des Speicherkatalysators 18 feststellt, leitet sie in einer Aufheizphase ΔT_H eine Aufheizung des NO_x-Speicherkatalysators 18 auf eine Katalysatortemperatur ein, die mindestens einer Entschwefelungstemperatur von beispielsweise 600 oder 650 °C entspricht, bei der eingelagerter Schwefel desorbiert wird. Hierfür kommen bekannte motorische Maßnahmen zur Anwendung, beispielsweise Zündwinkelverstellung in Richtung spät, Mehrfacheinspritzung mit mindestens zwei Kraftstoffeinspritzungen innerhalb eines Arbeitsspiels eines Zylinders oder zylinderselektive Lambdavertrimmung. Mehrere dieser Maßnahmen können auch kombiniert miteinander angewendet werden.
Bei Vorliegen der erforderlichen Entschwefelungstemperatur beginnt in einer Entschwefelungsphase ΔT_DS zumindest zeitweise eine Beaufschlagung des Katalysators 18 mit einer reduzierenden, das heißt fetten Abgasatmosphäre, um den im NO_x-Speicherkatalysator 18 eingelagerten Schwefel im Wesentlichen zu SO₂ umzusetzen und auszutragen. Um dabei eine Freisetzung des Schwefels in Form von H₂S oder COS zu unterdrücken, erfolgt eine diskontinuierliche Beaufschlagung des Speicherkatalysators 18 abwechselnd mit überstöchiometrischem Abgas mit einer Lambdamagervorgabe λ_m und mit unterstöchiometrischem Abgas mit einer Lambdafettvorgabe λ_f. Die Lambdavorgaben λ_m und λ_f werden jeweils über die Magerintervalldauer L_m beziehungsweise die Fettintervalldauer L_f gehalten. Die Einstellung eines angeforderten motorischen Lambdawertes λ_m und λ_f wird in bekannter Weise durch die Motorsteuerung 24 gesteuert, insbesondere durch Anpassung der inneren Gemischbildung unter Variation der eingespritzten Kraftstoffmasse und/oder des Einspritzverlaufs, durch Anpassung der Abgasrückführung, des Ladedrucks, des Zündwinkels und/oder der Nockenwellenverstellung. Diese Maßnahmen sind allgemein bekannt und können einzeln oder auch in Kombination miteinander angewendet werden. Problematisch an dieser Vorgehensweise ist, dass es – wie eingangs erläutert – teilweise zu einer unerwünschten Umlagerung des als SO₂ desorbierten Schwefels innerhalb des Katalysators mit einer erneuten Oxidation zu SO₃ und anschließender Einlagerung in Form von SO₄ ^2- kommt. Dabei erfolgt einerseits eine Umlagerung von OSC- oder Edelmetall-Komponenten auf NO_x-Speicherplätze und andererseits eine axiale Umlagerung von NO_x-Speicherplätzen vorderer Katalysatorbereiche auf weiter stromab gelegene NO_x-Speicherplätze.
Um eine effiziente und vollständige Entschwefelung des NO_x-Speicherkatalysators 18 zu erzielen und insbesondere eine katalysatorinterne Umlagerung des freigesetzten Schwefels innerhalb des Katalysators 18 zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Umschaltung von einem Magerintervall in ein Fettintervall nicht in einer Stufe gemäß Stand der Technik durchzuführen, sondern zunächst den motorischen Lambdawert auf ein Übergangslambda λ_t abzusenken und erst anschließend eine weitere Absenkung in Richtung Fett vorzunehmen.
Gemäß 3 wird das Übergangslambda λ_t, das zumindest annähernd stöchiometrisch oder leicht unterstöchiometrisch ist und vorzugsweise einen Wert zwischen 0,97 und 0,99 annimmt, für eine Übergangsdauer ΔT_t gehalten. Während der Übergangsdauer ΔT_t erfolgt eine Desorption und Freisetzung des an den sauerstoffspeichernden Komponenten OSC und den Edelmetallen gebundenen Sauerstoffs. Die Übergangsdauer ΔT_t ist dabei so bemessen, dass der NO_x-Speicherkatalysator 18 am Ende der Übergangsdauer ΔT_t zumindest weitgehend sauerstofffrei ist. Hierfür kann eine frei applizierbare Zeit vorgegeben werden. Alternativ kann das Ende der Übergangsdauer ΔT_t an einem Sondensignal der sauerstoffempfindlichen Messeinrichtung 22, insbesondere einem Sondensprung in Richtung Fett, erkannt werden. Erst nach Ende der Übergangsdauer ΔT_t erfolgt eine weitere Absenkung des motorischen Lambdawertes auf eine Lambdafettvorgabe λ_f, die für eine Fettdauer ΔT_f gehalten wird. Die Lambdafettvorgabe λ_f liegt typischerweise in einem Bereich zwischen 0,90 und 0,97. Während der Fettdauer ΔT_f erfolgt eine Desorption und Reduzierung des am Katalysator 18 gebundenen Schwefels hauptsächlich zu SO₂. Eine erneute Einlagerung des Schwefels, die eine erneute Oxidation zu SO₃ erfordert, ist aufgrund des nicht vorhandenen Sauerstoffs am Katalysator 18 nicht möglich. Infolgedessen wird in einer gegenüber Stand der Technik kürzeren Entschwefelungsdauer ΔT_DS eine praktisch vollständige Entschwefelung des Katalysators 18 bewirkt. Der Katalysator 18 weist somit nach seiner Entschwefelung zumindest annähernd seine ursprüngliche NO_x-Speicherkapazität wieder auf. Die Fettdauer ΔT_f kann ebenfalls von der Motorsteuerung 24 fest vorgegeben oder anhand des Sensorsignals der sauerstoffempfindlichen Messeinrichtung 22 bestimmt werden. Insbesondere kann die Umschaltung der Verbrennungskraftmaschine 10 in ein Magerintervall L_m erfolgen, sobald das Sensorsignal eine vorgegebene Fettschwelle unterschreitet.
Eine alternative Verfahrensführung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt 4. Hier wird bei einem Übergang von einem Magerintervall L_m in ein Fettintervall L_f ebenfalls zunächst ein Übergangslambda λ_t eingestellt, das gemäß dieser Ausführung insbesondere einen Wert zwischen 0,98 und 1,01, vorzugsweise von 0,998, annimmt. Ausgehend von dem Übergangslambda λ_t erfolgt eine Absteuerung des motorischen Lambdawertes mit einer kontinuierlichen Funktion, die einen progressiven Anfettungsverlauf vorsieht. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anfettungsgeschwindigkeit, das heißt die negative Steigung der Funktion, stetig zunimmt. Demgemäß werden in einer Anfangsphase der Lambdaabsenkung nur leicht unterstöchiometrische Lambdawerte erreicht, in denen hauptsächlich der im Katalysator 18 eingelagerte Sauerstoff Gelegenheit zur Desorption erhält. Erst zu einem späteren Zeitpunkt, an dem das Abgas sich der Lambdafettvorgabe λ_f annähert beziehungsweise diese erreicht, insbesondere in der Fettdauer ΔT_f, nimmt die Desorption und Reduzierung des eingelagerten Schwefels zu. Auch hier kann aufgrund der Abwesenheit von Sauerstoff eine Umlagerung des freigesetzten Schwefels innerhalb des Speicherkatalysators 18 wirkungsvoll unterdrückt werden. Analog zu der Vorgehensweise gemäß 3 kann die Fettdauer ΔT_f als frei applizierbarer Festwert vorgegeben werden oder in Abhängigkeit von den Sensorsignalen der Messeinrichtung 22 geregelt werden.
Eine Ausführungsvariante zu der in 4 dargestellten Vorgehensweise zeigt 5. Auch hier erfolgt nach Aufsetzen des motorischen Lambdawertes auf das Übergangslambda λt die kontinuierliche Lambdaabsenkung mit progressivem Anfettungsverlauf. Anders als in 4 dargestellt, wird hier jedoch nicht bis zu der Lambdafettvorgabe λ_f abgesteuert, sondern die kontinuierliche Lambdaabsenkung so lange durchgeführt, bis mittels der sauerstoffempfindlichen Messeinrichtung 22 ein Sondensprung in Richtung Fett oder ein Unterschreiten einer vorgegebenen Fettschwelle detektiert wird.
In allen drei gezeigten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Länge der Magerintervalle L_m fest vorgegeben werden oder ebenfalls mittels der sauerstoffssensitiven Messeinrichtung 22 geregelt werden. In letzterem Fall erfolgt die Umschaltung des motorischen Lambdas auf das Übergangslambda λ_t, sobald die Messeinrichtung 22 einen Lambdasprung in Richtung Mager oder das Überschreiten einer vorgegebenen Magerschwelle detektiert.
Gemäß aller dargestellten Ausführungsvarianten. ist bevorzugt vorgesehen, den Sauerstoffspeicher des NO_x-Speicherkatalysators 18 bereits in der Aufheizphase ΔT_H möglichst vollständig zu entleeren. Hierfür wird ein leicht unterstöchiometrisches Abgas mit einem Lambdawert zwischen 0,98 bis 0,99 bevorzugt. Die Aufheizung kann mit den oben genannten Heizmaßnahmen gemäß Stand der Technik erfolgen.
Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensführung ist auch eine gezielte Entschwefelung nur der sauerstoffspeichernden Komponenten des NO_x-Speicherkatalysators 18 möglich, wobei eine Katalysatortemperatur von 300 bis 600 °C ausreichend ist. Auch hierbei wird die katalysatorinterne Umlagerung auf NO_x-Speicherplätze effektiv unterbunden.

10: Verbrennungskraftmaschine
12: Abgasanlage
14: Abgaskanal
16: Vorkatalysator
18: NO_x-Speicherkatalysator
20: Lambdasonde
22: sauerstoffsensitive Messeinrichtung
24: Motorsteuerung
26: Ansaugrohr
28: Drosselklappe
λ_f: Lambdafettvorgabe
λ_m: Lambdamagervorgabe
λ_t: Übergangslambda
L_f: Fettintervall
L_m: Magerintervall
ΔT_H: Aufheizphase
ΔT_DS: Entschwefelungsphase
ΔT_f: Fettdauer
ΔT_t: Übergangsdauer

Claims

Verfahren zur Entschwefelung mindestens eines in einem Abgaskanal (14) einer Verbrennungskraftmaschine (10) angeordneten NO_x-Speicherkatalysators (18), wobei bei einer Entschwefelungstemperatur des NO_x-Speicherkatalysators (18) dieser alternierend in Magerintervallen mit einem überstöchiometrischen Abgas mit einem Lambdawert > 1 und in Fettintervallen mit einem unterstöchiometrischen Abgas mit einem Lambdawert < 1 beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschaltung der Verbrennungskraftmaschine (10) von einem Magerintervall mit einer motorischen Lambdamagervorgabe (λ_M) mit λ_M > 1 in ein Fettintervall derart durchgeführt wird, dass zunächst der motorische Lambdawert auf ein Übergangslambda (λ_t) mit λ_t < λ_M abgesenkt wird und anschließend eine weitere, ein- oder mehrstufige oder kontinuierliche Absenkung in Richtung fetterer Lambdawerte erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Übergangslambda (λ_t) zumindest annähernd stöchiometrisch oder leicht unterstöchiometrisch ist, insbesondere einen Wert von 0,97 bis 1,01 annimmt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, ehe ein niedrigster, innerhalb eines Fettintervalls eingestellter Lambdawert erreicht ist, ein Sauerstoffspeicher des NO_x-Speicherkatalysators (18) zumindest weitgehend sauerstofffrei ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Übergangslambda (λ_t) zunächst für eine Übergangsdauer (ΔT_t) gehalten und anschließend der motorische Lambdawert stufenweise, insbesondere mit einer Stufe, auf eine Lambdafettvorgabe (λ_F) mit λ_F < λ_t abgesenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsdauer (ΔT_t) derart bemessen ist, dass der Sauerstoffspeicher des NO_x-Speicherkatalysators (18) am Ende der Übergangsdauer (ΔT_t) zumindest weitgehend sauerstofffrei ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von dem Übergangslambda λ_t der Lambdawert mit einer kontinuierlichen Funktion bis höchstens auf eine Lambdafettvorgabe (λ_F) mit λ_F < λ_t weiter abgesenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die kontinuierliche Funktion eine größer werdende negative Steigung aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lambdafettvorgabe (λ_F) 0,90 bis 0,97 beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lambdafettvorgabe (λ_F) für eine vorgegebene Fettdauer (ΔT_f) gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschaltung der Verbrennungskraftmaschine (10) von einem Fettintervall in ein Magerintervall erfolgt, sobald stromab des NO_x-Speicherkatalysators (18) ein Lambdasprung in Richtung Fett oder eine Unterschreitung einer Lambdaschwelle detektiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der alternierenden Abgasbeaufschlagung des NO_x-Speicherkatalysators (18) dieser in einer Aufheizphase (ΔT_H) bei einem leicht unterstöchiometrischen Lambdawert, insbesondere bei 0,98 bis 0,98, auf die Entschwefelungstemperatur aufgeheizt wird.
Vorrichtung zur Entschwefelung mindestens eines in einem Abgaskanal (14) einer Verbrennungskraftmaschine (10) angeordneten NO_X-Speicherkatalysators (18), umfassend Mittel zur Steuerung der Entschwefelung derart, dass bei einer Entschwefelungstemperatur des NO_x-Speicherkatalysators (18) dieser alternierend in Magerintervallen mit einem überstöchiometrischen Abgas mit einem Lambdawert > 1 und in Fettintervallen mit einem unterstöchiometrischen Abgas mit einem Lambdawert < 1 beaufschlagt wird, und eine Umschaltung der Verbrennungskraftmaschine (10) von einem Magerintervall mit einer motorischen Lambdamagervorgabe (λ_M) mit λ_M > 1 in ein Fettintervall derart durchgeführt wird, dass zunächst der motorische Lambdawert auf ein Übergangslambda (λ_t) mit λ_t < λ_M abgesenkt wird und anschließend eine weitere, ein- oder mehrstufige oder kontinuierliche Absenkung in Richtung fetterer Lambdawerte erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel einen Programmalgorithmus zur Steuerung der Entschwefelung umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Programmalgorithmus in einer Motorsteuerung (24) hinterlegt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine stromab des NO_x-Speicherkatalysators (18) angeordnete sauerstoffsensitive Messeinrichtung (22), insbesondere eine Lambdasonde oder einen NO_x-Sensor, umfassen.