DE10353597B4

DE10353597B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Entschwefelung eines NOx-Speicherkatalysators

Info

Publication number: DE10353597B4
Application number: DE2003153597
Authority: DE
Inventors: Matthias Holz; Markus Paulovsky; Dr. Pott Ekkehard
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2003-11-12
Filing date: 2003-11-12
Publication date: 2012-02-23
Anticipated expiration: 2023-11-13
Also published as: DE10353597A1

Abstract

Verfahren zur Entschwefelung mindestens eines in einem Abgaskanal (14) einer Verbrennungskraftmaschine (10) angeordneten NOx-Speicherkatalysators (18), wobei bei einer Entschwefelungstemperatur des NOx-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 Magerintervalldauer (Lm) und/oder eine motorische Lambdamagervorgabe (λM) während des Magerintervalls derart bemessen wird, dass im NOx-Speicherkatalysator (18) vorhandene sauerstoffspeichernde Komponenten nur teilweise mit Sauerstoff beladen werden.

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 fetter 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. So beschreibt die DE 101 15 962 A1 ein Verfahren, wonach in einer ersten Phase der NO_x-Speicherkatalysator auf eine Katalysatortemperatur oberhalb der Mindest-Entschwefelungstemperatur aufgeheizt wird und ein nur leicht unterstöchiometrisches Abgas mit einem Lambdawert im Bereich von 0,97 bis 0,999 vorgegeben wird. Diese Phase dient der Oberflächenentschwefelung. Als Basis für die Dauer dieser ersten Phase dient ein vorbestimmter Zeitraum und/oder ein vorgebbarer Sauerstoffspeicherwert und/oder ein gemessener Reduktionsmitteldurchbruch stromab des NO_x-Speicherkatalysators und/oder ein kumulierter Schwefelaustrag. In einer folgenden zweiten Phase wird die Katalysatortemperatur in etwa auf die Mindest-Entschwefelungstemperatur abgesenkt und zumindest zeitweise mit unterstöchiometrischem Abgas mit einem Lambdawert im Bereich von 0,85 bis 0,95 beaufschlagt. Diese Phase dient der Tiefenentschwefelung. Eine weitere Möglichkeit, 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 . Demnach erfolgt 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 erfolgt.
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), die insbesondere Ce, Al und Si, aber auch Edelmetalle der katalytischen Komponenten, wie Pt, Pd und Rh, umfassen. Bei Katalysatortemperaturen, die oberhalb einer komponentenspezifischen Desorptionstemperatur liegen, und unter einer fetten Abgasatmosphäre, kann der eingelagerte Schwefel wieder ausgetrieben werden. Problematisch ist hier, dass der aus den OSC während der Entschwefelung freigesetzte Schwefel zum Teil von den NO_x-Speicherkomponenten des Katalysators umgehend erneut 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 Katalysators 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. Andere Weiterentwicklungen betreffen Entschwefelungsverfahren für NO_x-Speicherkatalysatoren, die mit einer verminderten Umlagerung von Schwefel innerhalb des Speicherkatalysators einhergehen. So beschreibt die ältere Patentanmeldung DE 103 38 990.3 ein Entschwefelungsverfahren, bei dem ein Verhältnis einer Fettintervalldauer zu einer Magerintervalldauer während der alternierenden Beaufschlagung des Katalysators mit fortschreitender Entschwefelung zunimmt, insbesondere die Fettintervalldauer vergrößert wird. Die ältere Patentanmeldung DE 103 49 854.0 sieht vor, bei einer Umschaltung von einem Magerintervall in ein Fettintervall zunächst den motorischen Lambdawert auf ein insbesondere stöchiometrisches oder leicht unterstöchiometrisches Übergangslambda abzusenken und anschließend eine weitere, stufenweise oder kontinuierliche Absenkung in Richtung fetterer Lambdawerte durchzuführen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Entschwefelungsverfahren für NO_x-Speicherkatalysatoren bereitzustellen, bei dem die Schwefelumlagerung innerhalb des NO_x-Speicherkatalysators während der Entschwefelung noch stärker unterdrückt wird. Es soll ferner eine zur Ausübung des Verfahrens geeignete Vorrichtung vorgeschlagen werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 10 genannten Merkmalen gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass eine Magerintervalldauer und/oder eine motorische Lambdamagervorgabe während des Magerintervalls derart bemessen wird, dass im NO_x-Speicherkatalysator vorhandene sauerstoffspeichernde Komponenten (OSC) nur teilweise mit Sauerstoff beladen werden. Mit anderen Worten wird die Gesamtsauerstoffbeaufschlagung des Katalysators während eines Magerintervalls, bestimmt durch die Parameter Magerintervalldauer und/oder Lambdamagervorgabe, derart ausgelegt, dass nur Teilbereiche des Speicherkatalysators, das heißt insbesondere ein Eintrittsbereich des Speicherkatalysators, mit Sauerstoff beladen werden. Dabei werden im Rahmen der vorliegenden Anmeldung unter dem Begriff ”sauerstoffspeichernde Komponenten” beziehungsweise ”OSC” sowohl die primär Sauerstoff einlagernden Komponenten Ce, Al und Si verstanden als auch katalytische Edelmetallkomponenten. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise macht sich den Umstand zunutze, dass in aller Regel nicht der gesamte NO_x-Speicherkatalysator mit Schwefel vergiftet ist, sondern nur sein Eintrittsbereich, während weiter stromab gelegene Katalysatorbereiche weitgehend schwefelfrei sind. Da gemäß der bekannten Vorgehensweisen zur Katalysatorentschwefelung die Magerintervalle stets so ausgelegt sind, dass der gesamte Sauerstoffspeicher des Katalysators aufgefüllt wird, dass insbesondere stromab des Speicherkatalysators ein Durchbruch an magerem Abgas erfasst wird, liegt gemäß Stand der Technik grundsätzlich mehr Sauerstoff im Katalysator gebunden vor, als zur Unterdrückung der unerwünschten Reduktion des Schwefels zu H₂S erforderlich ist. Dieser ”überschüssige” Sauerstoff gemäß Stand der Technik bewirkt die unerwünschte Weiteroxidation des SO₂ zu SO₃, welches wiederum eine umgehende Neueinspeicherung des Schwefels in Form von Sulfat SO₄ ^2- bewirkt. Durch die erfindungsgemäße unvollständige Sauerstoffbeladung des Speicherkatalysators während der Magerintervalle wird nunmehr dieser Sauerstoffüberschuss vermindert oder sogar vollständig verhindert, so dass während der Fettphasen nicht genügend Sauerstoff im Speicherkatalysator zur Verfügung steht, um eine Oxidation des ausgetriebenen Schwefels zu SO₃ und damit seine Neueinlagerung in den Katalysator zu ermöglichen. Auf diese Weise kann die unerwünschte Schwefelumlagerung weiter als bisher unterdrückt werden. Gleichzeitig kann die Dauer der Entschwefelung beziehungsweise der Mager- als auch der Fettphasen gegenüber bekannten Verfahren verkürzt werden.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Magerintervalldauer oder die motorische Lambdamagervorgabe oder beide Parameter derart bemessen, dass nur der eine Schwefelbeladung aufweisende Anteil der sauerstoffspeichernden Komponenten des NO_x-Speicherkatalysators in den Magerphasen mit Sauerstoff beladen wird. Besonders vorteilhaft werden die Magerintervalldauer und/oder die Lambdamagervorgabe proportional zu einer in den NO_x-Speicherkatalysator eingelagerten Schwefelmasse bemessen. Dabei kann die Schwefelmasse rechnerisch, beispielsweise in Abhängigkeit von einem Schwefelgehalt des verwendeten Kraftstoffs und der Dauer des der Entschwefelung vorausgegangenen Magerbetriebs der Verbrennungskraftmaschine und anderen Faktoren, ermittelt werden. Vorzugsweise wird das Magerintervall der alternierenden Abgasbeaufschlagung so ausgelegt, dass eine zur Schwefelmasse stöchiometrisch äquivalente Sauerstoffbeladung erfolgt. Demnach wird also gerade so viel Sauerstoff während der Magerintervalle in den Speicherkatalysator eingetragen, wie in dem nachfolgenden Fettintervall zur Unterdrückung der H₂S-Freisetzung und zur Austragung des Schwefels in Form von SO₂ notwendig ist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Auslegung der genannten Magerparameter in Abhängigkeit von mindestens einem weiteren, einen Katalysatorzustand oder Motorzustand betreffenden Parameter. Insbesondere kann die Bestimmung der Magerintervalldauer und/oder der Lambdamagervorgabe in Abhängigkeit der Katalysatortemperatur des NO_x-Speicherkatalysators, der Abgastemperatur, des Abgasmassenstroms, des Alterungszustands und/oder der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Speicherkatalysators erfolgen. Zudem kann vorteilhaft die Abgaslaufzeit zwischen Verbrennungskraftmaschine und NO_x-Speicherkatalysator berücksichtigt werden.
Es ist besonders bevorzugt vorgesehen, die erfindungsgemäße Auslegung der Magerintervalle mit weiteren Maßnahmen zur Vermeidung der Schwefelumlagerung während der Entschwefelung zu kombinieren. Beispielsweise kann vorteilhaft vorgesehen sein, eine Umschaltung der Verbrennungskraftmaschine von einem Magerintervall mit der motorischen Lambdamagervorgabe >1 in ein Fettintervall derart durchzuführen, dass zunächst der motorische Lambdawert auf ein Übergangslambda, das insbesondere zumindest annähernd stöchiometrisch oder leicht unterstöchiometrisch gewählt wird, insbesondere einen Wert von 0,97 bis 1,01 annimmt, abgesenkt wird und anschließend eine weitere, ein- oder mehrstufige oder kontinuierliche Absenkung in Richtung fetterer Lambdawerte erfolgt. Alternativ oder zusätzlich kann als weitere Maßnahme vorgesehen sein, ein Verhältnis der Fettintervalldauer zu der Magerintervalldauer mit fortschreitender Entschwefelung zu vergrößern, wobei insbesondere die Fettintervalldauer mit fortschreitender Entschwefelung vergrößert wird.
Um einen Durchbruch fetten Abgases und damit eine Emission von Schadstoffen während der Entschwefelung zu vermeiden, ist weiterhin vorteilhaft vorgesehen, eine Umschaltung der Verbrennungskraftmaschine von einem Fettintervall in ein Magerintervall durchzuführen, sobald stromab des NO_x-Speicherkatalysators ein Lambdasprung in Richtung Fett oder eine Unterschreitung einer vorgegebenen Lambdaschwelle, beispielsweise mittels einer sauerstoffempfindlichen Messeinrichtung, detektiert wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Entschwefelung des NO_x-Speicherkatalysators umfasst 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 Magerintervalldauer L_m und/oder eine motorische Lambdamagervorgabe λ_M während des Magerintervalls derart bemessen wird, dass im NO_x-Speicherkatalysator vorhandene sauerstoffspeichernde Komponenten nur teilweise mit Sauerstoff beladen werden. Die Mittel umfassen insbesondere einen Programmalgorithmus zur Steuerung der Entschwefelung, welcher vorzugsweise in einer vorhandenen Motorsteuerung hinterlegt ist.
Weitere bevorzugte 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 motorisch eingestellten Abgaslambdas während einer Entschwefelung gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung und
4 einen Verlauf des motorisch eingestellten Abgaslambdas während einer Entschwefelung gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung.
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 an 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 s 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 NOx-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. Derartige NO_x-Speicherkatalysatoren gehören zum bekannten Stand der Technik.
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 ferner einen gespeicherten Algorithmus zur Durchführung eines Verfahrens zur Entschwefelung des NO_x-Speicherkatalysators 18, welcher 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 und 4 hingegen stellen den motorischen Lambdawert gemäß 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 gegenläufige zylinderselektive Lambdavertrimmung, bei der einzelne Zylinder mit einem gegenüber dem angeforderten Abgaslambda magereren und andere Zylinder mit einem fetteren Verbrennungslambda betrieben werden. 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 Einstellung der angeforderten motorischen Lambdawerte 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. Die Lambdavorgaben λ_m und λ_f werden jeweils über die Magerintervalldauer L_m beziehungsweise die Fettintervalldauer L_f gehalten. Dabei werden die Intervalldauern L_m und L_f entweder fest vorgegeben oder es erfolgt eine Umschaltung zwischen Magerintervallen und Fettintervallen, sobald stromab des NO_x-Speicherkatalysators 18 ein Durchbruch des beaufschlagenden Abgases gemessen wird. Beispielsweise erfolgt eine Umschaltung von Mager nach Fett, sobald die sauerstoffempfindliche Messeinrichtung 22 einen Sondensprung in Richtung Mager beziehungsweise mageres Abgas anzeigt. Analog erfolgt die Umschaltung von Fett nach Mager, sobald fettes Abgas oder ein entsprechender Sondensprung stromab des Katalysators 18 registriert wird. In jedem Fall wird gemäß Stand der Technik die Magerintervalldauer L_m so ausgelegt, dass eine vollständige Sauerstoffbeladung der sauerstoffspeichernden Komponenten (OSC) des NO_x-Speicherkatalysators 18 erfolgt. Problematisch an dieser Vorgehensweise ist, dass es – wie eingangs erläutert – während der Fettintervalle aufgrund des hohen Sauerstoffangebots im Katalysator 18 teilweise zu einer unerwünschten Umlagerung des als SO₂ desorbierten Schwefels innerhalb des Katalysators mit einer erneuten Oxidation zu SO₃ und anschließender erneuten Einlagerung in Form von SO₄ ^2- kommt. Dabei erfolgt einerseits eine Umlagerung von OSC auf NO_x-Speicherplätze und andererseits eine axiale Umlagerung von NO_x-Speicherplätzen vorderer Katalysatorbereiche auf weiter stromab gelegene NO_x-Speicherplätze. Durch diese katalysatorinterne Schwefelumlagerung wird eine vollständige Entschwefelung verhindert beziehungsweise die für eine vollständige Entschwefelung notwendige Entschwefelungsdauer und der damit verbundene Kraftstoffmehrverbrauch vergrößert.
3 zeigt den Verlauf des motorischen Lambdawertes λ während einer Entschwefelung gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung. Bei Vorliegen einer Entschwefelungsnotwendigkeit wird auch – wie in 2 beschrieben – zunächst eine Aufheizphase ΔT_H durchgeführt, während der der NO_x-Speicherkatalysator 18 auf seine Entschwefelungstemperatur aufgeheizt ist. Zu diesem Zweck wird der Speicherkatalysator 18 mit einem leicht unterstöchiometrischen Abgas beaufschlagt, insbesondere mit einem Abgaslambda von 0,98 bis 0,99.
Nach Erreichen der Entschwefelungstemperatur beginnt die eigentliche Entschwefelungsphase ΔT_DS mit der alternierenden Abgasbeaufschlagung des NO_x-Speicherkatalysators 18 in Magerintervallen mit der Lambdamagervorgabe λ_m und Fettintervallen mit der Lambdafettvorgabe λ_f. Im Unterschied zum Stand der Technik gemäß 2 erfolgt jedoch eine verkürzte Magerintervalldauer L_m. Insbesondere wird die Magerintervalldauer L_m so bemessen, dass der Sauerstoffspeicher des NO_x-Speicherkatalysators 18 nur teilweise mit Sauerstoff beladen wird, vorzugsweise nur die verschwefelten vorderen Bereiche des NO_x-Speicherkatalysators 18. Im Unterschied zum beschriebenen Stand der Technik wird die Umschaltung von einem Magerintervall in ein Fettintervall also nicht erst ausgeführt, wenn die sauerstoffsensitive Messeinrichtung 22 einen Lambdasprung von Fett nach Mager detektiert beziehungsweise einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet, sondern bereits früher, wenn noch eine fette Abgasatmosphäre stromab des Speicherkatalysators 18 registriert wird. Die vorgegebene Magerintervalldauer L_m wird proportional zur berechneten, im NO_x-Speicherkatalysator 18 eingelagerten Schwefelmasse bestimmt. Weitere Parameter, welche die Sauerstoffspeicherung des Katalysators 18 beeinflussen, insbesondere Katalysatortemperatur, Abgastemperatur, Abgasmassenstrom, Alterungszustand und/oder Sauerstoffspeicherfähigkeit des Speicherkatalysators 18, können bei der Bestimmung der Magerintervalldauer L_m ebenfalls herangezogen werden, wobei vorzugsweise auch die Abgaslaufzeit zwischen Motor und Katalysator berücksichtigt wird. Indem die Magerintervalldauer L_m in Abhängigkeit einer beispielsweise im Rahmen einer Katalysatordiagnose ermittelten Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators angepasst wird, wird sichergestellt, dass insbesondere bei gealterten Katalysatoren mit reduzierter Sauerstoffspeicherfähigkeit die optimale Sauerstoffmenge während der Magerintervalle in den Katalysator 18 eingetragen wird. Im Ergebnis wird also nicht der komplette Speicherkatalysator 18 mit Sauerstoff beladen, sondern nur noch der bei der Verschwefelung hauptsächlich betroffene Eintrittsbereich des Katalysators 18, während weiter stromab gelegene Bereiche weitgehend sauerstofffrei gehalten werden.
Während des nachfolgenden Fettintervalls kommt es infolge des fetten Abgases bei λ_f zur Freisetzung und Reduktion des als Sulfat gespeicherten Schwefels zu SO₂. Dabei verhindert der eingelagerte Sauerstoff, dass das SO₂ zu H₂S oder COS durchreduziert wird. Auf der anderen Seite steht jedoch in den weiter stromab gelegenen, sauerstofffreien Bereichen des Speicherkatalysators 18 kein Sauerstoff zur Verfügung, der das soeben freigesetzte SO₂ wieder zu SO₃ oxidiert und auf diese Weise zu einer Neueinlagerung des Schwefels führt. Indem also nur der Bereich des Katalysators 18, der eingespeicherten Schwefel beinhaltet, mit Sauerstoff beladen wird, wird erreicht, dass nahezu der gesamte in den NO_x-Speicherkatalysator 18 eingelagerte Schwefel in Form von SO₂ freigesetzt wird, ohne dass dies durch eine Umlagerung des Schwefels innerhalb des Katalysators zu einer Einschränkung der NO_x-Speicherfähigkeit führt.
Zusätzlich oder aternativ zu der in 3 dargestellten verkürzten Magerintervalldauer L_m kann auch die Lambdamagervorgabe λ_m während des Magerintervalls gegenüber dem Stand der Technik reduziert werden. Auch hierdurch wird ein verminderter Sauerstoffeintrag in den Katalysator 18 während der Entschwefelung erzielt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ist in 4 gezeigt. Hierin erfolgt die Auslegung der Aufheizphase Δ_TH sowie die Auslegung der Magerintervalldauer L_m und/oder der motorischen Lambdamagervorgabe λ_m entsprechend 3. Als zusätzliche, umlagerungsvermindernde Maßnahme erfolgt hier jedoch ein veränderter Übergang von der Lambdamagervorgabe λ_m zu der Lambdafettvorgabe λ_f. Insbesondere erfolgt die Umschaltung von Mager nach Fett nicht in einer Stufe, sondern es wird zunächst der motorische Lambdawert auf ein Übergangslambda λ_t abgesenkt und anschließend eine weitere Absenkung in Richtung Fett vorgenommen. Während der Übergangsdauer, während welcher das insbesondere stöchiometrische oder leicht unterstöchiometrische, vorzugsweise einen Wert zwischen 0,97 und 0,99 annehmende Übergangslambda λ_t gehalten wird, erfolgt eine Desorption und Freisetzung des an den sauerstoffspeichernden Komponenten OSC gebundenen Sauerstoffs. Die Übergangsdauer ist dabei so bemessen, dass der Speicherkatalysator 18 am Ende der Übergangsdauer zumindest weitgehend sauerstofffrei ist. Hierfür kann eine frei applizierbare Zeit vorgegeben werden. Alternativ kann das Ende der Übergangsdauer an einem Sondensignal der sauerstoffempfindlichen Messeinrichtung 22, insbesondere einem Sondensprung in Richtung Fett, erkannt werden. Erst nach Ende der Übergangsdauer erfolgt eine weitere Lambdaabsenkung auf die Lambdafettvorgabe λ_f, während der eine Desorption und Reduzierung des am Katalysator 18 gebundenen Schwefels hauptsächlich zu SO₂ erfolgt. Alternativ kann nach Absenken des motorischen Lambdawertes auf das Übergangslambda λ_t auch eine mehrstufige oder kontinuierliche, insbesondere progressive, Anfettung erfolgen.
Die Fettintervalldauern λ_f sowohl gemäß 3 als auch gemäß 4 können entweder fest vorgegeben werden oder bevorzugt in Abhängigkeit des Sensorsignals der Sonde 22 gesteuert werden. Insbesondere erfolgt eine Umschaltung von einem Fettintervall in ein Magerintervall, sobald die sauerstoffempfindliche Messeinrichtung 22 den Lambdasprung in Richtung Fett detektiert.
Bezugszeichenliste

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: Fettintervalldauer
L_m: Magerintervalldauer
ΔT_H: Aufheizphase
ΔT_DS: Entschwefelungsphase

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 Magerintervalldauer (L_m) und/oder eine motorische Lambdamagervorgabe (λ_M) während des Magerintervalls derart bemessen wird, dass im NO_x-Speicherkatalysator (18) vorhandene sauerstoffspeichernde Komponenten nur teilweise mit Sauerstoff beladen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magerintervalldauer (L_m) und/oder die motorische Lambdamagervorgabe (λ_M) derart bemessen werden, dass nur der Anteil der sauerstoffspeichernden Komponenten des NO_x-Speicherkatalysators (18) mit Sauerstoff beladen wird, der eine Schwefelbeladung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magerintervalldauer (L_m) und/oder die motorische Lambdamagervorgabe (λ_M) proportional zu einer in den NO_x-Speicherkatalysator (18) eingelagerten Schwefelmasse bemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magerintervalldauer (L_m) und/oder die motorische Lambdamagervorgabe (λ_M) in Abhängigkeit von mindestens einem Parameter bestimmt werden, gewählt aus der Gruppe Katalysatortemperatur des NO_x-Speicherkatalysators (18), Abgastemperatur, Abgasmassenstrom, Abgaslaufzeit, Alterungszustand des NO_x-Speicherkatalysators (18) und/oder Sauerstoffspeicherfähigkeit des NO_x-Speicherkatalysators (18).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschaltung der Verbrennungskraftmaschine (10) von einem Magerintervall mit der motorischen Lambdamagervorgabe (λ_m) mit k_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 5, 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 einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis der Fettintervalldauer (L_f) zu der Magerintervalldauer (L_m) mit fortschreitender Entschwefelung vergrößert wird, insbesondere die Fettintervalldauer (L_f) mit fortschreitender Entschwefelung verlängert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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 vorgegebenen 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 0,99, 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, welche derart ausgebildet sind, 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 Magerintervalldauer (L_m) und/oder eine motorische Lambdamagervorgabe (λ_m) während des Magerintervalls derart bemessen wird, dass im NO_x-Speicherkatalysator (18) vorhandene sauerstoffspeichernde Komponenten nur teilweise mit Sauerstoff beladen werden.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel einen Programmalgorithmus zur Steuerung der Entschwefelung umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Programmalgorithmus in einer Motorsteuerung (24) hinterlegt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, 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.