DE19802631C1 - Verfahren und Einrichtung zum Reinigen von Abgasen eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zum Reinigen von Abgasen eines Verbrennungsmotors

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen von Abgasen eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1. Außerdem betrifft die Erfindung eine Einrichtung zum Reinigen von Abgasen eines Verbrennungsmo­ tors.
Um die Schadstoffemission eines Verbrennungsmotors zu redu­ zieren, kann ein derartiger Motor, z. B. Diesel- oder Ottomo­ tor, mit einer von den Abgasen des Verbrennungsmotors durch­ strömten Abgasreinigungseinrichtung ausgestattet werden. Zur Reinigung der Verbrennungsmotorabgase eignen sich in besonde­ rer Weise NOx-Adsorbersysteme. Derartige, auch als NOx- Adsorber-Katalysatoren bezeichnete Abgasreinigungselemente speichern unter bestimmten Voraussetzungen die Stickoxide (NOx) von Verbrennungskraftmaschinen, sofern diese "mager" be­ trieben werden. Ein solcher Mager-Betrieb liegt vor, wenn das Verbrennungs-Luftverhältnis Lambda (λ) größer als 1 ist, das heißt wenn eine überstöchiometrische Verbrennung vorliegt, bei der große Mengen Sauerstoff im Abgas vorhanden sind. Zur Regeneration derartiger, aufgrund ihrer Speicherfähigkeit auch als Speicher-Katalysator bezeichneten NOx-Adsorbersysteme wird reduzierend wirkendes Abgas mit möglichst hohem Redukti­ onsmittelgehalt benötigt, damit das im NOx-Adsorber- Katalysator gespeicherte NOx freigesetzt und zu Stickstoff N2 umgesetzt werden kann. Eine Verbrennungskraftmaschine produ­ ziert reduzierend wirkendes Abgas, wenn eine "fette" Verbren­ nung, das heißt eine unterstöchiometrische Verbrennung mit λ < 1 vorliegt, bei der kein oder nur noch wenig Restsauerstoff im Abgas vorhanden ist.
Die mit einem derartigen NOx-Speicher-Katalysator ausgestatte­ ten Verbrennungsmotoren müssen demnach über eine Motorsteue­ rung verfügen, die einen Wechsel zwischen Mager-Betrieb und Fett-Betrieb des Verbrennungsmotors ermöglicht.
Aufgrund des Mager-Betriebes sind in den Abgasen des Verbren­ nungsmotors Schwefeloxid-Verbindungen (SOx), vorzugsweise Schwefeldioxid (SO2), enthalten, die während eines Mager- Betriebes mit dem Speicher-Material des NOx-Speicher- Katalysators reagieren und dabei Sulfate bilden. Eine derar­ tige Sulfatbildung führt zu einer Verringerung der NOx- Speicherkapazität des NOx-Speicher-Katalysators, was auch als "Schwefelvergiftung" des NOx-Speicher-Katalysators bezeichnet wird.
Damit eine Abgasreinigungseinrichtung mit einem NOx-Speicher- Katalysator über längere Zeit ordnungsgemäß funktionieren kann, muß der Schwefelgehalt im Abgas verringert werden. Die wesentlichen Schwefelquellen sind dabei der verwendete Kraft­ stoff und das Motoröl, so daß zum einen Kraftstoffe und Mo­ toröle mit niedrigerem Schwefelgehalt die Lebensdauer eines NOx-Speicher-Katalysators erhöhen.
Zum anderen kann die Sulfatbildung im NOx-Speicher-Katalysator vermieden werden, in dem ein in der Literatur (z. B. in: "New Developments in Lean NOx Catalysis for Gasoline Fueled Passan­ ger Cars in Europe", SAE 96 2047, 1996) als "SOx-Trap" be­ zeichneter SOx-Speicher-Katalysator verwendet wird, der im Ab­ gasstrang vor dem NOx-Speicher-Katalysator angeordnet ist. Wenn die Abgase den SOx-Speicher-Katalysator durchströmen, wird ein Großteil der vom Motor emittierten Schwefelverbin­ dungen darin adsorbiert und abgespeichert. Auf diese Weise wird die Dauerhaltbarkeit des NOx-Speicher-Katalysators erheb­ lich verbessert.
Jedoch ist die SOx-Speicher-Kapazität eines derartigen SOx- Traps bzw. SOx-Speicher-Katalysators begrenzt, so daß für ei­ nen Dauerbetrieb eine Regeneration bzw. Desulfatisierung des SOx-Speicher-Katalysators durchgeführt werden muß. Eine derar­ tige Desulfatisierung kann mit Hilfe eines Abgases erreicht werden, das Reduktionsmittel (z. B. CO, H2, HC) enthält und ei­ ne relativ hohe Temperatur aufweist. Unter diesen Bedingungen werden die zuvor gespeicherten Schwefelmengen hauptsächlich als SO2 und H2S desorbiert und freigesetzt, wobei die SOx- Speicherkapazität des SOx-Speicher-Katalysators wieder herge­ stellt wird.
Aus der EP 0 636 770 A1 ist eine Abgasreinigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor bekannt, die einen NOx-Speicher- Katalysator aufweist, der im Abgasstrang des Verbrennungsmo­ tors angeordnet ist. Der NOx-Speicher-Katalysator adsorbiert NOx, wenn das Verbrennungs-Luftverhältnis mager ist, und das auf diese Weise adsorbierte NOx wieder abgibt, wenn das Ver­ brennungs-Luftverhältnis stöchiometrisch oder fett ist. Bei der bekannten Abgasreinigungsanlage ist im Abgasstrang strom­ ab des NOx-Speicher-Katalysators ein Sensor zur Bestimmung des Verbrennungs-Luftverhältnisses angeordnet. Mit Hilfe dieses Sensors wird dann festgestellt, daß die Entladung von NOx aus dem NOx-Speicher-Katalysator beendet ist, sobald das durch den Sensor detektierte Verbrennungs-Luftverhältnis von mager auf fett wechselt, wenn zuvor das Verbrennungs-Luftverhältnis der in den NOx-Speicher-Katalysator einströmenden Abgase von mager auf fett umgeschaltet wurde.
Aus der DE 195 22 165 A1 sind eine Vorrichtung und ein Ver­ fahren für die Regelung einer Verbrennungskraftmaschine be­ kannt. Dabei weist die Vorrichtung eine Abgasreinigungskata­ lysatoreinrichtung auf, welche im Abgas enthaltene Stick­ stoffoxide adsorbiert, wenn der Motor in einem Magerverbren­ nungszustand ist, und welche die adsorbierten Stickstoffoxide desoxidiert, wenn der Motor in einem Fettverbrennungszustand ist. Die bekannte Vorrichtung weist außerdem eine elektroni­ sche Steuereinheit zum Schätzen der Menge anderer Substanzen als Stickstoffoxide auf, welche die Stickstoffoxidationsad­ sorbtionsfähigkeit der Katalysatoreinrichtung herabsetzen und ebenfalls von der Katalysatoreinrichtung adsorbiert werden. Derartige Substanzen können beispielsweise Schwefeloxide sein. Die von der Steuereinheit durchgeführte Schätzung er­ folgt auf der Basis des akkumulierten Wertes der Fahrzeug­ fahrstrecke, des Kraftstoffverbrauchs des Motors oder der An­ saugluftmenge. Die Steuereinheit ändert die Betriebsbedingung des Motors derart, daß die Auspuffgastemperatur erhöht wird, wenn die Schätzung ergibt, daß die geschätzte Adsorbtionsmen­ ge eine vorbestimmte Adsorbtionsmenge erreicht hat. Durch die Erhöhung der Auspuffgastemperatur wird die Abgasreinigungska­ talysatoreinrichtung erwärmt, um die vorgenannten Substanzen aus der Katalysatoreinrichtung zu entfernen.
Aus der DE 196 04 607 A1 ist ein Gerät bekannt, mit dem Feh­ ler in einer Abgasreinigungseinrichtung und eine Minderung der Wirkung eines Katalysators erfaßt werden können. Dabei ist ein Auspuffrohr eines Verbrennungsmotors mit einem Drei- Wege-Katalysator ausgestattet. Zustromseitig und Abstromsei­ tig des Drei-Wege-Katalysators sind jeweils ein Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Sensor und ein abstromseitiger O2-Sensor angeordnet. Eine Steuereinheit führt die Luft-Kraftstoff- Verhältnis-Rückführungsregelung gemäß der Ausgabe des Luft- Kraftstoff-Verhältnis-Sensors aus. Übersteigt die Zeitdauer der Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Umkehrung über den abstromsei­ tigen O2-Sensor eine vorbestimmte Zeitdauer, bestimmt die Steuereinheit, daß der Drei-Wege-Katalysator aktiviert ist. An diesem Punkt ermittelt die Steuereinheit die vom Anlassen des Verbrennungsmotors bis zur Aktivierung des Katalysators erforderliche Wärmemenge. Diese Wärmemenge ergibt sich dabei aus der Summation der Ansaugluftmenge vom Anlassen des Ver­ brennungsmotors bis zur Aktivierung des Katalysators. Beim Vorliegen der berechneten Wärmemengensumme bestimmt die Steu­ ereinheit entsprechend, ob eine Wirkungsminderung des Drei- Wege-Katalysators vorliegt.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend auszuge­ stalten, daß die für die Desulfatisierung des SOx-Speicher- Katalysators notwendige Abgaszusammensetzung und Abgastempe­ ratur mit technisch einfachen Maßnahmen bzw. Einrichtungen bereitgestellt werden kann.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, mit Hilfe der Motorsteuerung die Abgaszusammensetzung dahingehend zu beeinflussen, daß diese eine reduzierende Atmosphäre aufwei­ sen, die im SOx-Speicher-Katalysator eine Freisetzung der SOx- Verbindungen bewirken kann. Die dazu außerdem erforderliche hohe Abgastemperatur wird dabei auf einfache Weise mit Hilfe der vorgeschlagenen Zuführung von sekundärer Luft in den Ab­ gasstrang, nach dem Motor und vor dem SOx-Speicher-Katalysator erreicht. Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, daß das mit Reduktionsmitteln angereicherte Abgas eine hohe chemische Energie enthält, die unter Zufuhr von Sauerstoff mittels ent­ sprechender chemischer Reaktionen in Wärmeenergie umgesetzt werden kann. Der dazu benötigte Sauerstoff wird mit der Se­ kundärluft zur Verfügung gestellt. Im SOx-Speicher-Katalysator kann dann eine katalytische Verbrennung eines Teils der im Abgas mitgeführten Reduktionsmittel mit dem Sauerstoff der Sekundärluft stattfinden, bei der Wärmeenergie freigesetzt und vorzugsweise an das Oberflächenmaterial des SOx-Speicher- Katalysators übertragen wird. Die für die Sulfatzersetzung notwendige hohe Temperatur im SOx-Speicher-Katalysator kann somit durch diese chemische Reaktion im SOx-Speicher- Katalysator selbst erzeugt werden und erfordert daher keine zusätzliche Energiequelle.
Eine Reduktionsmittel enthaltende Atmosphäre wird im Abgas auf einfache Weise dadurch bereitgestellt, daß durch die Mo­ torsteuerung von Mager-Betrieb auf Fett-Betrieb des Verbren­ nungsmotors umgestellt wird.
Um eine optimale Desulfatisierung erzielen zu können wird im SOx-Speicher-Katalysator vorzugsweise eine Temperatur von mehr als 550°C eingestellt.
Um eine derartige hohe Temperatur im SOx-Speicher-Katalysator erzielen zu können und um eine für die Desulfatisierung des SOx-Speicher-Katalysators optimale Zusammensetzung der Abgase zu erreichen, wird das Verbrennungs-Luftverhältnis der mit der Sekundärluft vermischten Abgase aus einem Bereich von λ = 0,75 bis λ = 0,99 gewählt.
Die Einstellung dieser bevorzugten Werte für das Verbren­ nungs-Luftverhältnis der mit Sekundärluft gemischten Abgase und für die im SOx-Speicher-Katalysator herrschende Temperatur wird entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform des er­ findungsgemäßen Verfahrens dadurch erzielt, daß während der Desulfatisierung durch die Motorsteuerung die Menge der zuge­ führten Sekundärluft und/oder das Verbrennungsluftverhältnis der vom Motor kommenden Abgase beeinflußt bzw. variiert wird. Die vorgeschlagenen Maßnahmen ermöglichen auf einfache Weise eine Regelung bzw. Steuerung der Parameter, die für den Ab­ lauf der Desulfatisierung charakteristisch sind.
Bei einer Abgasreinigungseinrichtung, bei der im Abgasstrang vor dem NOx-Speicher-Katalysator der SOx-Speicher-Katalysator angeordnet ist, gelangen die bei der Desulfatisierung des SOx- Speicher-Katalysators freigesetzten Schwefelverbindungen in den NOx-Speicher-Katalysator und können dort Verbindungen mit dem NOx-Speicher-Material eingehen und Sulfate bilden. Dies hat zur Folge, daß sich die NOx-Speicher-Kapazität des NOx- Speicher-Katalysators verringert.
Es stellt sich somit das Problem, die Desulfatisierung des SOx-Speicher-Katalysators so durchzuführen, daß dabei die Speicherfähigkeit des NOx-Speicher-Katalysators nicht beein­ trächtigt wird. Dies wird dadurch ermöglicht, daß im Ab­ gasstrang ein den NOx-Speicher-Katalysator umgehender Bypass vorgesehen ist, der während der Desulfatisierung von der Mo­ torsteuerung aktiviert ist. Mit Hilfe dieses Bypasses werden die mit Schwefelverbindungen beladenen Abgase während der Desulfatisierung am NOx-Speicher-Katalysator vorbeigeleitet, so daß es zu keiner Sulfatbildung im NOx-Speicher-Katalysator kommen kann.
Bei einer anderen besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Adsorbtion von Schwe­ felverbindungen im NOx-Speicher-Katalysator während der Desul­ fatisierung des SOx-Speicher-Katalysators auch dadurch verhin­ dert werden, daß nach dem Umschalten von Mager-Betrieb auf Fett-Betrieb des Verbrennungsmotors zunächst eine Regenerati­ on des NOx-Speicher-Katalysators durchgeführt wird, wobei die Motorsteuerung einen mit dem Regenerationsgrad des NOx- Speicher-Katalysators korrelierenden Parameter überwacht und erst bei Erreichen eines vorbestimmten Schwellwertes für die­ sen Parameter die Zufuhr von Sekundärluft in den Abgasstrang veranlaßt. Durch diese vorgelagerte Regenerations-Phase wer­ den mit Hilfe der während des Fett-Betriebes vom Motor emit­ tierten Reduktionsmittel die in dem SOx-Speicher-Katalysator und in dem NOx-Speicher-Katalysator gespeicherten Sauerstoff­ mengen und Nitrate umgesetzt. Die beiden Katalysatoren (SOx- und NOx-Speicher-Katalysator) werden dadurch in einen redu­ zierten Zustand versetzt, in dem - außer den Sulfaten im SOx- Speicher-Katalysator - näherungsweise keine sauerstoffhalti­ gen Atome oder Moleküle in den Katalysatoren mehr vorhanden sind. Nach einer derartigen Regeneration, insbesondere des NOx-Speicher-Katalysators kann dann die eigentliche Desulfati­ sierung des SOx-Speicher-Katalysators erfolgen, indem Sekun­ därluft zugeführt wird. Bei dieser unmittelbar nachgeschalte­ ten Desulfatisierung werden die während des Mager-Betriebes adsorbierten und gespeicherten Schwefelverbindungen aus dem SOx-Speicher-Katalysator desorbiert und freigesetzt. Die frei­ gesetzten Schwefelverbindungen können den reduzierten NOx- Speicher-Katalysator durchströmen, ohne daß dabei eine Ad­ sorption bzw. Speicherung der Schwefelverbindungen stattfin­ den kann. Eine Schwefelvergiftung bzw. Sulfatisierung des NOx- Speicher-Katalysators kann somit während der Desulfatisierung des vorgeschalteten SOx-Speicher-Katalysators verhindert wer­ den und zwar ausschließlich durch die Wahl eines besonders geschickten Ablaufes der Steuerungs- bzw. Regelungsvorgänge. Eine nach diesem Verfahren arbeitende Abgasreinigungseinrich­ tung verfügt über wenig bewegliche Bauteile, ist dadurch ro­ bust, wenig störanfällig und preiswert.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der nachfolgen­ den Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen. Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 eine Prinzipskizze eines Verbrennungsmotors mit einer Abgasreinigungseinrichtung, die einen einen NOx- Speicher-Katalysator umgehenden Bypass aufweist und mit zwei Schließorganen ausgestattet ist,
Fig. 2 eine Prinzipskizze eines Verbrennungsmotors mit einer Abgasreinigungseinrichtung wie in Fig. 1, jedoch mit nur einem Schließorgan, und
Fig. 3 eine Prinzipskizze eines Verbrennungsmotors mit einer Abgasreinigungseinrichtung wie in den Fig. 1 und 2, jedoch ohne Bypass.
Entsprechend den Fig. 1 bis 3 wird einem Verbrennungsmotor 1, der sowohl ein Diesel- als auch ein Otto-Motor sein kann, Luft über eine elektronisch oder elektrisch verstellbare Drosselklappe 2 zugeführt. Die Drosselklappe 2 ist dabei mit einer elektronischen Motorsteuerung 3 verbunden, die über ei­ nen Rechner, einen Speicher mit Daten und entsprechenden Pro­ grammen verfügt.
Die bei der Verbrennung vom Motor 1 gebildeten Abgase treten in einen Abgasstrang 4 einer Abgasreinigungseinrichtung 5 des Motors 1 ein. Dabei ist an den Abgasstrang 4, im gezeigten Ausführungsbeispiel bereits im Austrittsbereich der Abgase aus dem Verbrennungsmotor 1, eine Sekundärluftzuführung 6 an­ geschlossen, die mit einer von der Motorsteuerung 3 gesteuer­ ten Sekundärluftpumpe 7 Sekundärluft in den Abgasstrang 4 zur Vermischung mit den Abgasen einbringen kann.
Nach den Anschlußstellen der Sekundärluftzuführung 6 an den Abgasstrang 4 ist eine λ-Sonde 8 im Abgasstrang 4 angeordnet, die mit der Motorsteuerung 3 verbunden ist. Nach der λ-Sonde 8 ist im Abgasstrang 4 ein SOx-Speicher-Katalysator 9 angeord­ net, der vorzugsweise als SOx-Trap ausgebildet ist.
Nach dem SOx-Speicher-Katalysator 9 ist im Abgasstrang 4 ein mit der Motorsteuerung 3 verbundener Temperatursensor 10 an­ geordnet. Dabei mißt der Temperatursensor 10 eine Temperatur, die mit der im SOx-Speicher-Katalysator 9 herrschenden Tempe­ ratur korreliert.
Bei der Ausführungsform entsprechend Fig. 1 zweigt sich der Abgasstrang 4 in seinem weiteren Verlauf auf, wobei in einem ersten Teilstrang 4a ein NOx-Speicher-Katalysator 11 angeord­ net ist. Vor dem NOx-Speicher-Katalysator 11 ist in diesem er­ sten Teilstrang 4a ein als Abgasklappe ausgebildetes Schließ­ organ 12 angeordnet, das mit der Motorsteuerung 3 verbunden ist und durch diese zwischen einer Durchlaßstellung und einer Sperrstellung verstellbar ist.
Ein nach der Abzweigung ausgebildeter zweiter Teilstrang 4b bildet einen den NOx-Speicher-Katalysator 11 umgehenden Bypass 13. In diesem Bypass 13 ist ebenfalls ein als Abgasklappe ausgebildetes Schließorgan 14 angeordnet, das auch mit der Motorsteuerung 3 verbunden und zwischen einer Durchlaßstel­ lung und einer Sperrstellung verstellbar ist.
Die Teilstränge 4a und 4b des Abgasstranges 4 sind nach dem NOx-Speicher-Katalysator 11 wieder zu einem gemeinsamen Ab­ gasstrang 4 zusammengeführt.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren arbeitet wie folgt:
Die Motorsteuerung 3 überwacht die Speicherkapazität des SOx- Speicher-Katalysators 9 und stellt fest, wann eine Regenera­ tion des SOx-Speicher-Katalysators erforderlich ist. Um die aktuelle Speicherkapazität des SOx-Speicher-Katalysators 9 feststellen zu können, kann vorgesehen sein, daß hier nicht dargestellte Sensoren im SOx-Speicher-Katalysator 9 oder im Abgasstrang 4 angeordnet sind, die z. B. einen Anstieg des Ge­ halts an Schwefelverbindungen im Abgas oder einen anderen, mit der SOx-Speicher-Kapazität korrelierenden Parameter detek­ tieren. Ebenso ist es möglich, die jeweils aktuelle Speicher­ kapazität des SOx-Speicher-Katalysators 9 anhand von in einem entsprechenden Speicher abgelegten Kennfeldern zu bestimmen, in denen beispielsweise die SOx-Speicher-Kapazität in Abhän­ gigkeit von der Betriebsdauer des Verbrennungsmotors 1 und des Schwefelgehaltes der vom Motor 1 kommenden Abgase abge­ legt ist.
Nachdem die Motorsteuerung 3 ein Absinken der SOx-Speicher- Kapazität auf bzw. unter einen vorbestimmten Schwellwert festgestellt hat, beeinflußt sie das Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors 1 dahingehend, daß dieser von einem Mager- Betrieb auf einen Fett-Betrieb umgestellt wird. Dabei kann vorgesehen sein, daß eine sich ggf. bei der Umstellung zwi­ schen den beiden Betriebsarten (mager bzw. fett) auftretende Veränderung der Motorleistung, insbesondere des Motordrehmo­ mentes, z. B. durch eine entsprechende Veränderung der Stel­ lung der Drosselklappe 2 ausgeglichen wird, so daß der Fahrer den Wechsel zwischen den Betriebsarten nicht wahrnimmt.
Mit dem Wechsel auf fetten Motorbetrieb oder dazu zeitlich verzögert wird die Sekundärluftpumpe 7 aktiviert, so daß Se­ kundärluft in den Abgasstrang 4 eingeblasen wird. Dabei ver­ mischt sich das vom Motor 1 kommende Abgas mit der Sekundär­ luft. Aufgrund der im Fett-Betrieb unterstöchiometrischen Verbrennung mit λ < 1 sind die vom Motor 1 kommenden Abgase mit Reduktionsmitteln beladen. Durch die Zufuhr von Sekundär­ luft werden die Abgase außerdem mit Sauerstoff angereichert.
Mit Hilfe der λ-Sonde 8 wird von der Motorsteuerung 3 der ak­ tuelle λ-Wert vor dem SOx-Speicher-Katalysator 9, das heißt das Verbrennungsluftverhältnis der mit der Sekundärluft ver­ mischten Abgase, gemessen. Um einen vorbestimmten λ-Wert der Abgase einstellen zu können, bei dem ein optimaler Ablauf der Desulfatisierung des SOx-Speicher-Katalysators 9 gewährleisten werden kann, beeinflußt die Motorsteuerung 3 die Abgaszusam­ mensetzung. Dazu werden erfindungsgemäß mehrere Möglichkeiten vorgeschlagen:
Entsprechend der ersten Möglichkeit zur Beeinflussung des Wertes der dem SOx-Speicher-Katalysator 9 zugeführten Abgase wird - bei einem konstant bleibenden Verbrennungs-Luft­ verhältnis der vom fett betriebenen Motor 1 kommenden Abgase - die Menge an zugeführter Sekundärluft über eine entspre­ chende Ansteuerung der Sekundärluftzuführung 6 bzw. deren Se­ kundärluftpumpe 7 variiert.
Entsprechend einer zweiten Möglichkeit zur Beeinflussung der Abgaszusammensetzung vor deren Eintritt in den SOx-Speicher- Katalysator 9 kann - bei einer konstant bleibenden Menge an zugeführter Sekundärluft - über die Motorsteuerung 3 das Ver­ brennungsluftverhältnis der vom Motor 1 erzeugten Abgase va­ riiert werden, in dem die Motorsteuerung 3 in den Betrieb des Motors 1 eingreift.
Bei einer dritten Möglichkeit zur Beeinflussung des λ-Wertes der dem SOx-Speicher-Katalysator 9 zugeführten Abgase werden die vorgenannten Möglichkeiten kombiniert, das heißt sowohl das Verbrennungsluftverhältnis der vom Motor 1 erzeugten Ab­ gase als auch die Menge der zugeführten Sekundärluft werden durch die Motorsteuerung 3 in geeigneter Weise beeinflußt.
Das für eine Desulfatisierung des SOx-Speicher-Katalysators 9 angestrebte Verbrennungsluftverhältnis wird vorzugsweise aus einem Bereich von λ = 0,75 bis λ = 0,99 gewählt.
Die in den SOx-Speicher-Katalysator 9 eintretenden Abgase wei­ sen einen hohen Gehalt an Reduktionsmitteln (z. B. CO, H2, HC) auf, außerdem sind diese Abgase nach der Sekundärluftzufüh­ rung 6 mit Sauerstoff angereichert, so daß im SOx-Speicher- Katalysator 9 eine katalytische Verbrennung stattfinden kann. Bei dieser Reaktion wird die in den Reduktionsmittel gespei­ cherte chemische Energie durch Oxidation in Wärmeenergie um­ gesetzt. Auf diese Weise wird der SOx-Speicher-Katalysator 9 erwärmt und kann eine für die Desulfatisierung optimale Tem­ peratur erreichen.
Mit Hilfe des Temperatursensors 10 wird die Erwärmung des SOx- Speicher-Katalysators 9 überwacht. Diese Erwärmung des SOx- Speicher-Katalysators 9 kann durch eine Beeinflussung des Verbrennungsluftverhältnisses der dem SOx-Speicher-Katalysator 9 zugeführten Abgase reguliert werden. Die Motorsteuerung 3 regelt bzw. stellt im SOx-Speicher-Katalysator 9 mit Hilfe des Temperatursensors 10 eine für die Desulfatisierung optimale Temperatur ein, vorzugsweise mehr als 550°C. Außerdem ermög­ licht der Temperatursensor 10 einen wirksamen Schutz vor Überhitzung des SOx-Speicher-Katalysators 9 bzw. der anderen Bestandteile der Abgasreinigungseinrichtung 5.
Während der normalen Betriebsphasen des Verbrennungsmotors 1 bzw. dessen Abgasreinigungseinrichtung 5, in denen Schwefel­ verbindungen im SOx-Speicher-Katalysator 9 adsorbiert und ge­ speichert werden, ist die Abgasklappe 14 des Bypasses 13 ge­ schlossen, während die Abgasklappe 12 in dem den NOx-Speicher- Katalysator 11 enthaltenden Teilstrang 4a des Abgasstranges 4 geöffnet ist. Die von Schwefelverbindungen gereinigten Abgase durchströmen somit den NOx-Speicher-Katalysator 11 und werden in diesem von Stickoxiden (NOx) befreit.
Während der Desulfatisierung wird gleichzeitig mit der Akti­ vierung der Sekundärluftzuführung 6 oder dazu zeitlich verzö­ gert die Abgasklappe 12 geschlossen und die Abgasklappe 14 geöffnet, so daß die Abgase unter Umgehung des NOx-Speicher- Katalysators 11 ausschließlich den Bypass 13 durchströmen. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß die während der Desulfatisierung des SOx-Speicher-Katalysators 9 freigesetzten Schwefelverbindungen von der Abgasströmung nicht in den NOx- Speicher-Katalysator 11 transportiert werden können. Somit kann wirksam eine Sulfatbildung im NOx-Speicher-Katalysator 11 und folglich dessen Vergiftung bzw. Kapazitätsverminderung verhindert werden.
Zur Vermeidung einer Schwefelvergiftung des NOx-Speicher- Katalysators 11 während der Desulfatisierung des SOx-Speicher- Katalysators 9 ist im Unterschied zur Ausführungsform gemäß Fig. 1 bei einem anderen Aufbau der Abgasreinigungseinrich­ tung 5 entsprechend Fig. 2 nur ein als Abgasklappe ausgebil­ detes Schließorgan 15 vorgesehen, das im Bypass 13 angeordnet und über eine Verbindung mit der Motorsteuerung 3 durch diese zwischen einer Durchgangsstellung und einer Sperrstellung verstellbar ist. Während des Normalbetriebes des Verbren­ nungsmotors 1 bzw. der Abgasreinigungsanlage 5 ist die Abgas­ klappe 15 in ihrer geschlossenen Stellung, so daß die schwe­ felfreien Abgase den NOx-Speicher-Katalysator 11 durchströmen müssen. Im Unterschied dazu ist die Abgasklappe 15 während der Regenerationsphase bzw. Desulfatisierung des SOx-Speicher- Katalysators 9 auf Durchlaß geschaltet. Zwar sind bei dieser Ausführungsform gemäß Fig. 2 bei geöffneter Abgasklappe 15 zwei Strömungswege, nämlich durch Teilstrang 4a und durch Teilstrang 4b, möglich, jedoch ist der Abgasstrang 4 in die­ sem Bereich strömungstechnisch derart ausgebildet, daß bei geöffneter Abgasklappe 15 die Abgase ausschließlich oder zu­ mindest größtenteils durch den Bypass 13 strömen und keine schwefelhaltigen Abgase oder nur vernachläßigbar geringe An­ teile den NOx-Speicher-Katalysator 11 durchströmen. Dies wird beispielsweise durch eine Erhöhung des Strömungswiderstandes im Teilstrang 4a, z. B. durch eine Drosselstelle realisiert. Die Abgasreinigungseinrichtung 5 entsprechend Fig. 2 ist auf­ grund ihrer Ausführung mit nur einer Abgasklappe 15 preiswer­ ter und weniger störanfällig als die Ausführungsform entspre­ chend Fig. 1.
Entsprechend Fig. 3 wird bei einer anderen Variante ein Schutz des NOx-Speicher-Katalysators 11 vor einer Schwefelver­ giftung während der Desulfatisierung auch ohne Bypass er­ reicht. Dies wird dadurch ermöglicht, daß bei einer derarti­ gen Abgasreinigungseinrichtung 5 vor der eigentlichen Desul­ fatisierung des SOx-Speicher-Katalysators 9 von der Motor­ steuerung 3 eine Regeneration des NOx-Speicher-Katalysators 11 durchgeführt wird.
Der gesamte Desulfatisierungsvorgang läuft bei einer Anord­ nung entsprechend Fig. 3 wie folgt ab:
Nachdem die Motorsteuerung 3 ein Absinken der SOx-Speicher- Kapazität des SOx-Speicher-Katalysators 9 auf oder unter einen vorbestimmten Schwellwert festgestellt hat, veranlaßt sie - wie bei den Ausgestaltungen gemäß den Fig. 1 und 2 - einen Wechsel von Mager-Betrieb auf Fett-Betrieb des Verbrennungs­ motors 1, jedoch in diesem Fall ohne die Sekundärluftzufüh­ rung 6 zu aktivieren. Der Verbrennungsmotor 1 erzeugt dann Abgase mit einem relativ hohen Reduktionsmittelgehalt, die im NOx-Speicher-Katalysator 11 eine Reduktionsreaktion auslösen, bei der die im NOx-Speicher-Katalysator 11 adsorbierten Stickoxide reduziert und in Form unbedenklicher Verbindungen wie N2, CO2, H2O freigesetzt werden. Der NOx-Speicher- Katalysator 11 wird durch seine Regeneration in einen redu­ zierten Zustand überführt, bei dem keine sauerstoffhaltigen Spezies mehr im NOx-Speicher-Katalysator 11 vorhanden sind.
Während dieser Regeneration des NOx-Speicher-Katalysators 11 wird auch der SOx-Speicher-Katalysator 9 von den reduzierend wirkenden Abgasen des fett betriebenen Verbrennungsmotors 1 durchströmt, so daß auch im SOx-Speicher-Katalysator 9 eine Reduktion stattfinden kann, bei der außer den Schwe­ feloxidverbindungen (SOx) sauerstoffhaltige Verbindungen frei­ gesetzt werden.
Das Ende des Regenerationsvorganges für den NOx-Speicher- Katalysator 11 wird von der Motorsteuerung 3 festgestellt. Beispielsweise erfolgt der Regenerationsprozeß anhand von in Kennfeldern abgespeicherten Parametern oder mit Hilfe eines im Abgasstrang 4 nach dem NOx-Speicher-Katalysator 11 angeord­ neten zusätzlichen Sensors 16. Dieser Sensor 16 ist mit der Motorsteuerung 3 verbunden und kann entsprechend einer bevor­ zugten Ausführungsform als λ-Sonde ausgebildet sein. Das Ende der Regenerationsphase kann vom Sensor 16 beispielsweise da­ durch detektiert werden, daß die im Abgas enthaltenen Reduk­ tionsmittel in zunehmenden Maße den NOx-Speicher-Katalysator 11 unverändert durchströmen.
Nach Abschluß der Regenerationsphase des NOx-Speicher- Katalysators 11 beginnt die eigentliche Desulfatisierung des SOx-Speicher-Katalysators 9, in dem mit Hilfe der Sekundär­ luftzuführung 6 Sekundärluft in die vom Motor 1 kommenden Ab­ gase eingeleitet wird. Mit Hilfe des Verbrennungsluftverhält­ nisses vor dem SOx-Speicher-Katalysator 9 werden die optimalen Bedingungen für die Desulfatisierung durch die Motorsteuerung 3 eingestellt bzw. eingeregelt. Dabei ist es durchaus mög­ lich, daß für die Regeneration des NOx-Speicher-Katalysators 11 ein Fett-Betrieb mit einem anderem λ-Wert als für die Desulfatisierung des SOx-Speicher-Katalysators 9 eingestellt wird.
Die während der Desulfatisierung freigesetzten Schwefelver­ bindungen werden von der Abgasströmung dem NOx-Speicher- Katalysator 11 zugeleitet. Da dieser sich jedoch in einem re­ duzierten Zustand befindet, können die im Abgas enthaltenen Schwefelverbindungen von dessen Adsorbermaterial nicht adsor­ biert und gespeichert werden, so daß die Schwefelverbindungen den NOx-Speicher-Katalysator 11 unverändert durchströmen. Mit Hilfe dieses erfindungsgemäß vorgeschlagenen geschickten Re­ gelungsvorganges kann somit effektiv eine Sulfatisierung bzw. Schwefelvergiftung des NOx-Speicher-Katalysators 11 während der Desulfatisierung des vorgeschalteten SOx-Speicher- Katalysators 9 vermieden werden.
Eine Abgasreinigungseinrichtung 5 entsprechend Fig. 3 weist im Vergleich zu den vorgehend beschriebenen Ausführungsformen entsprechend den Fig. 1 und 2 keine Abgasklappen auf, so daß der Gesamtaufbau der Abgasreinigungseinrichtung 5 erheblich robuster und weniger störanfällig, somit wartungsfreundlich und insgesamt preiswert ist.
Das Ende der Desulfatisierung des SOx-Speicher-Katalysators 9 wird bei allen gezeigten Ausführungsbeispielen von der Motor­ steuerung 3 beispielsweise anhand von in Kennfeldern abgeleg­ ten Parametern ermittelt. Zusätzlich oder alternativ kann entsprechend Fig. 3 zwischen dem SOx-Speicher-Katalysator 9 und dem NOx-Speicher-Katalysator 11 im Abgasstrang 4, insbe­ sondere bei den Beispielen gemäß den Fig. 1 und 2 vor dem Bypass 13, ein weiterer Sensor 17 angeordnet sein, der mit der Motorsteuerung 3 verbunden ist. Dieser Sensor 17 kann beispielsweise eine Abnahme freigesetzter Schwefelverbindun­ gen in den Abgasen detektieren oder entsprechend einer ande­ ren Ausführungsform als λ-Sonde ausgebildet sein und das Ver­ brennungsluftverhältnis der Abgase nach dem SOx-Speicher- Katalysator 9 überwachen.

Claims (17)

1. Verfahren zum Reinigen von Abgasen eines Verbrennungsmo­ tors mit einer Motorsteuerung, die einen Wechsel zwischen ei­ nem Mager-Betrieb und einem Fett-Betrieb des Verbrennungsmo­ tors ermöglicht, und mit einer Abgasreinigungseinrichtung, bei der im Abgasstrang nach dem Motor nacheinander eine Sonde, ein SOx-Speicher-Katalysator und ein NOx-Speicher- Katalysator angeordnet sind, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
  • A) mit Hilfe einer mit der Motorsteuerung (3) verbundenen Sen­ sorik wird ein mit der aktuellen SOx-Speicher-Kapazität des SOx-Speicher-Katalysators (9) korrelierender Parameter gene­ riert,
  • B) wenn die Motorsteuerung (3) eine Abnahme der SOx-Speicher- Kapazität unter einen voreingestellten Parameter-Wert fest­ stellt, startet diese die Desulfatisierung des SOx-Speicher- Katalysators, indem sie einen Wechsel von Mager-Betrieb auf Fett-Betrieb des Verbrennungsmotors veranlaßt,
  • C) mit Hilfe einer steuerbaren Sekundärluftzuführung wird nach dem Motor (1) und vor der λ-Sonde (8) Sekundärluft in den Abgasstrang (4) eingebracht,
  • D) das aktuelle Verbrennungsluftverhältnis der mit Sekundär­ luft gemischten Abgase wird von der λ-Sonde (8) detektiert und durch die Motorsteuerung (3) auf einen vorbestimmten Wert eingestellt,
  • E) mit Hilfe eines Temperatursensors (10) wird ein mit der im SOx-Speicher-Katalysator (9) herrschenden Temperatur korre­ lierender Signalwert generiert, wobei durch die Motorsteue­ rung (3) die im SOx-Speicher-Katalysator (9) herrschende Temperatur zur Erzielung eines vorbestimmten Signalwertes eingestellt wird,
  • F) beim Erreichen eines vorbestimmten Schwellwertes für den mit der SOx-Speicher-Kapazität des SOx-Speicher-Katalysators (9) korrelierenden Parameter beendet die Motorsteuerung (3) die Desulfatisierung, in dem sie einen Wechsel von Fett- Betrieb auf Mager-Betrieb des Verbrennungsmotors (1) veran­ laßt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Desulfatisierung, zum Einstellen der vorbe­ stimmten Werte für das Verbrennungs-Luftverhältnis der mit Sekundärluft gemischten Abgase und für die im SOx-Speicher- Katalysator (9) herrschende Temperatur die Motorsteuerung (3) die Menge der zugeführten Sekundärluft und/oder das Verbren­ nungsluftverhältnis der vom Motor (1) kommenden Abgase vari­ iert.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Abgasstrang (4) ein den NOx-Speicher-Katalysator (11) umgehender Bypass (13) vorgesehen ist, der während der Desul­ fatisierung durch die Motorsteuerung (3) aktiviert ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (12, 14) zum Leiten der Abgasströmung vorgesehen sind, die während aktivierter Desulfatisierung die Abgase durch den Bypass (13) leiten und den Zustrom zum NOx-Speicher- Katalysator (11) sperren und während deaktivierter Desulfati­ sierung die Abgase durch den NOx-Speicher-Katalysator (11) leiten und eine Durchströmung des Bypasses (13) sperren.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zum Leiten der Abgasströmung eine Weiche vor­ gesehen ist, die in einer Gabelung des Abgasstranges (4) in den NOx-Speicher-Katalysator (11) und in den Bypass (13) ange­ ordnet ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zum Leiten der Abgasströmung in der Zuströmung zum NOx-Speicher-Katalysator (11) ein erstes Schließorgan (12) und im Bypass (13) ein zweites Schließorgan (14) vorgesehen ist, wobei die Schließorgane (12, 14) wechselseitig auf Durchlaß und Sperren geschaltet sind.
7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schließorgan (15) im Bypass (13) angeordnet ist und die Anordnung aus Bypass (13) und NOx-Speicher-Katalysator (11) im Abgasstrang (4) strömungstechnisch dahingehend ausge­ bildet ist, daß bei auf Durchlaß geschaltetem Schließorgan (15) die Abgase ausschließlich oder im wesentlichen nur den Bypass (13) durchströmen.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Durchführung des Schrittes B eine Regeneration des NOx-Speicher-Katalysators (11) durchgeführt wird, wobei die Motorsteuerung (3) einen mit dem Regenerationsgrad des NOx-Speicher-Katalysators (11) korrelierenden Parameter über­ wacht und erst bei Erreichen eines vorbestimmten Schwellwer­ tes für diesen Parameter die Durchführung des Schrittes C veranlaßt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Detektion des mit dem Regenerationsgrad des NOx- Speicher-Katalysators (11) korrelierenden Parameters ein Sen­ sor (16), insbesondere eine λ-Sonde, vorgesehen ist, der nach dem NOx-Speicher-Katalysator (11) im Abgasstrang (4) angeord­ net ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der SOx-Speicher-Kapazität des SOx-Speicher- Katalysators (9) korrelierende Parameter in Abhängigkeit von der Betriebsdauer des Verbrennungsmotors (1) und von der Zu­ sammensetzung der vom Motor (1) kommenden Abgase kennfeldmä­ ßig ermittelt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Detektion des mit der SOx-Speicher-Kapazität des SOx- Speicher-Katalysators (9) korrelierenden Parameters ein Sen­ sor (17), insbesondere eine λ-Sonde, zwischen SOx-Speicher- Katalysator (9) und NOx-Speicher-Katalysator (11) im Ab­ gasstrang (4) angeordnet ist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Desulfatisierung vorbestimmte Wert des Ver­ brennungs-Luftverhältnisses der mit Sekundärluft vermischten Abgase aus einem Bereich von λ = 0,75 bis λ = 0,99 gewählt ist.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Desulfatisierung vorbestimmte Wert der im SOx- Speicher-Katalysator (9) herrschenden Temperatur einer Tempe­ ratur von mehr als 550°C entspricht.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Wechsel zwischen Mager-Betrieb und Fett-Betrieb des Verbrennungsmotors (1) die Motorsteuerung (3) mit Hilfe einer steuerbaren Drosselklappe (2) eine Luftzufuhr zum Verbren­ nungsmotor (1) in Richtung auf die Erzeugung eines konstanten Motor-Drehmomentes oder einer konstanten Motorleistung vari­ iert.
15. Einrichtung zum Reinigen von Abgasen eines Verbrennungs­ motors (1), bei der nach dem Motor (1) in einem Abgasstrang (4) nacheinander eine Sekundärluftzuführung (6), eine λ-Sonde (8), ein SOx-Speicher-Katalysator (9), ein Temperatursensor (10) und ein NOx-Speicher-Katalysator (11) angeordnet sind.
16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umgehung des NOx-Speicher-Katalysators (11) ein Bypass (13) im Abgasstrang (4) vorgesehen ist.
17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß im Abgasstrang (4) Mittel (12, 14) zum Leiten der Ab­ gasströmung vorgesehen sind, mit denen die Abgasströmung im wesentlichen entweder durch den NOx-Speicher-Katalysator (11) oder durch den Bypass (13) geleitet wird.
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