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