DE19842625A1 - Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsmotoranlage mit schwefelanreichernder Abgasreinigungskomponente und damit betreibbare Verbrennungsmotoranlage - Google Patents

Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsmotoranlage mit schwefelanreichernder Abgasreinigungskomponente und damit betreibbare Verbrennungsmotoranlage

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsmotoranlage mit einem Verbrennungsmotor mit zugehörigem Abgasstrang, einer im Abgasstrang angeordneten, schwefelanreichernden Abgasreinigungskomponente und Mitteln zur Desulfatisierung dieser Abgasreinigungskomponente, wobei der Anlagenbetrieb zu vorgebbaren Zeitpunkten auf einen Desulfatisierungsmodus eingestellt wird, sowie auf eine dergestalt betreibbare Verbrennungsmotoranlage. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird der Betrieb der Anlage jeweils im Anschluß an eine Kaltstartaktivierung des Verbrennungsmotors vor Übergang in einen Normalbetriebsmodus auf den Desulfatisierungsmodus eingestellt. Eine erfindungsgemäße Motoranlage beinhaltet je einen eigenen Sekundärluftzufuhrzweig für wenigstens zwei seriell geschaltete, schwefelanreichernde Abgasreinigungseinheiten und/oder je einen eigenen Sekundärluftzufuhrzweig für die schwefelanreichernde Abgasreinigungskomponente und eine stromabwärts davon angeordnete Oxidationskatalysatoreinheit. DOLLAR A Verwendung beispielsweise in Automobilen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsmotoranlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so­ wie auf eine mit einem solchen Verfahren betreibbare Verbren­ nungsmotoranlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8. Anlagen dieser Art werden insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt und enthalten eine Abgasreinigungskomponente, in der sich während des Betriebs Schwefel anreichert, der im Kraftstoff enthalten ist. Solche schwefelanreichernde Abgasreinigungskomponenten kön­ nen insbesondere Stickoxid(NOx)-Speicherkatalysatoren oder soge­ nannte Schwefelfallen sein.
Die schwefelanreichernde Abgasreinigungskomponente bedarf von Zeit zu Zeit einer Desulfatisierung, um sie wieder vom angesam­ melten, meist in Sulfatform vorliegenden Schwefel zu befreien. So ist beispielsweise bekannt, daß die Schwefelvergiftung von NOx-Speicherkatalysatoren deren Speicherkapazität herabsetzt. Weiter ist bekannt, daß die Desulfatisierung bevorzugt bei er­ höhten Abgastemperaturen und fetten Abgaszusammensetzungen ab­ läuft.
Herkömmlicherweise werden Desulfatisierungsvorgänge im laufenden Motorbetrieb immer dann durchgeführt, wenn der Schwefelgehalt in der schwefelanreichernden Abgasreinigungskomponente ein gewisses Maß überschritten hat. Dies wird z. B. im Fall eines NOx-Spei­ cherkatalysators dann angenommen, wenn dessen Speicherkapazität merklich nachläßt. Bei Verfahren dieser Art, wie sie in der Of­ fenlegungsschrift EP 0 636 770 A1 und der deutschen Patentanmel­ dung Nr. 197 47 222.2 beschrieben sind, wird diese nachlassende Speicherkapazität daran erkannt, daß sich die Adsorptions- und Desorptionsphasen verkürzen. Die Dauer der Adsorptionsphasen kann durch einen stromabwärts des NOx-Speicherkatalysators posi­ tionierten NOx-Sensor und die Dauer der Desorptionsphasen durch eine dort positionierte Lambda-Sonde überwacht werden.
Zur Durchführung der Desulfatisierungsphasen wird in der genann­ ten EP 0 636 770 A1 vorgeschlagen, den Verbrennungsmotor von ma­ gerem auf fettes Motorluftverhältnis, d. h. Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnis des dem Motor zugeführten Luft/Kraftstoff-Gemischs, um­ zustellen und bei Bedarf zusätzlich eine elektrische Heizein­ richtung für den NOx-Speicherkatalysator zu aktivieren. Die je­ weilige Desulfatisierungsphase wird für einen vorgegebenen Zeit­ raum von z. B. 10 min. beibehalten. Bei dem Verfahren der genann­ ten deutschen Patentanmeldung Nr. 197 47 222.2 wird die Einstel­ lung eines ausreichend fetten Motorluftverhältnisses von einer Zudosierung von Sekundärluft in den Abgasstrang stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators begleitet. Dabei kann eine Regelung und nicht nur Steuerung des Katalysatorluftverhältnisses, d. h. des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des den NOx-Speicherkatalysator durchströmenden Abgases, vorgesehen sein, und die Katalysator­ temperatur kann auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.
In der Offenlegungsschrift DE 195 22 165 A1 sind ein weiteres derartiges Verfahren mit periodischer Desulfatisierung eines NOx- Speicherkatalysators im laufenden Motorbetrieb bei erkanntem Nachlassen von dessen Speicherkapazität sowie eine diesbezügli­ che Verbrennungsmotoranlage bekannt, wobei dort zur Aktivierung einer jeweiligen Desulfatisierungsphase auf ein fetteres Motor­ luftverhältnis und einen späteren Zündzeitpunkt für den jeweili­ gen Motorzylinder umgestellt und außerdem Sekundärluft in den Abgasstrang stromaufwärts des NOx-Speicherkatalysators zugeführt wird. Dies erfolgt vorzugsweise so, daß während der Desulfati­ sierung, die für eine vorgebbare Zeitdauer aufrechterhalten wird, die Katalysatortemperatur auf einen gewünschten, erhöhten Sollwert eingeregelt wird.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Verbrennungsmotoranlage der eingangs genannten Art zugrunde, bei denen eine übermäßige Schwefelan­ sammlung in einer schwefelanreichernden Abgasreinigungskomponen­ te durch entsprechende Desulfatisierungsvorgänge vermieden wird, die den normalen Motorbetrieb möglichst wenig beeinflussen und keinen nennenswerten Kraftstoffmehrverbrauch verursachen.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Betriebsverfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einer Verbrennungsmotoranlage mit den Merkmalen des Anspruchs 8 oder 9.
Gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 wird jeweils bei einem Kalt­ start ein Desulfatisierungsvorgang ausgelöst, in welchem der Be­ trieb der Verbrennungsmotoranlage auf den entsprechenden Desul­ fatisierungsmodus eingestellt wird. In dem an eine Kaltstartak­ tivierung anschließenden Zeitraum wird der Verbrennungsmotor meist ohnehin noch nicht primär nach kraftstoffverbrauchsmini­ mierenden Kriterien betrieben, wie sie für einen Normalbetriebs­ modus bei warmgelaufenem Motor Anwendung finden können, da z. B. zunächst in einem Katalysatorheizmodus versucht wird, vorhandene Abgasreinigungskomponenten, insbesondere eine oder mehrere Ab­ gaskatalysatoreinheiten, möglichst rasch auf Betriebstemperatur zu bringen. Dazu kann beispielsweise der Verbrennungsmotor noch nicht im sogenannten, verbrauchsgünstigen Schichtladebetrieb ge­ fahren werden, und entsprechende Katalysatorheizmaßnahmen sind auch bei Motoren mit Direkteinspritzung zweckmäßig. Da die moto­ rischen Katalysatorheizmaßnahmen, die beispielsweise die Ein­ stellung eines fetten Motorluftverhältnisses beinhalten, wei­ testgehend mit den motorischen Maßnahmen zur Desulfatisierung der schwefelanreichernden Abgasreinigungskomponente korrespon­ dieren, entsteht durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise kein merklich höherer Kraftstoffverbrauch im Vergleich zu einem Anla­ genbetrieb ohne Desulfatisierungsvorgänge. Da die Zeitabstände, zu denen spätestens wieder ein nächster Desulfatisierungsvorgang notwendig ist, typischerweise merklich größer als die Zeitab­ stände aufeinanderfolgender Kaltstarts sind, reichen die Kalt­ start-Desulfatisierungsphasen im allgemeinen zur Erzielung einer rechtzeitigen und ausreichenden Entschwefelung aus, ohne daß zu­ sätzliche Desulfatisierungsvorgänge bei warmgelaufenem Motor notwendig sind. Dadurch werden der normale Motorbetrieb nicht gestört und ein damit einhergehender Kraftstoffmehrverbrauch vermieden.
Bei einem nach Anspruch 2 weitergebildeten Verfahren wird nach der Aktivierung eines Motorkaltstarts der Betrieb der Verbren­ nungsmotoranlage zunächst auf einen Katalysatorheizmodus einge­ stellt, bis die Temperatur der schwefelanreichernden Abgasrei­ nigungskomponente einen vorgebbaren Entschwefelungsmindestwert überschreitet, wonach dann der Betrieb auf den Desulfatisie­ rungsmodus umgestellt wird. Der anfängliche Katalysatorheizmodus ermöglicht ein sehr rasches Erreichen einer ausreichenden Ent­ schwefelungstemperatur für die zu desulfatisierende Abgasreini­ gungskomponente. In weiterer Ausgestaltung dieser Maßnahme kann gemäß Anspruch 3 während des Katalysatorheizmodus Sekundärluft in die schwefelanreichernde Abgasreinigungskomponente oder stromaufwärts davon in den Abgasstrang eingespeist werden, wo­ durch sich in Verbindung mit der Wahl eines fetten Motorluftver­ hältnisses die Abgastemperatur rasch steigern läßt. Bei Umstel­ lung auf den Desulfatisierungsmodus wird diese Sekundärluftzu­ fuhr beendet.
Ein nach Anspruch 4 weitergebildetes Betriebsverfahren eignet sich für Verbrennungsmotoranlagen, die im Abgasstrang stromab­ wärts der schwefelanreichernden Abgasreinigungskomponente eine Oxidationskatalysatoreinheit, d. h. eine solche mit oxidierender Funktion, aufweisen, wie z. B. einen Dreiwege-Katalysator oder einen NOx-Speicherkatalysator. Gemäß dieser Verfahrensvariante wird während der Desulfatisierung Sekundärluft in den Abgas­ strang für die Oxidationskatalysatoreinheit eingespeist, d. h. direkt in diese oder in den Abgasstrangabschnitt zwischen ihr und der momentan desorbierenden, schwefelanreichernden Abgasrei­ nigungskomponente. Dies erlaubt ein Oxidieren sowohl von Kohlen­ monoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen als auch von even­ tuell bei der Desulfatisierung entstehendem Schwefelwasserstoff.
Ein nach Anspruch 5 weitergebildetes Betriebsverfahren eignet sich für Verbrennungsmotoranlagen mit zwei oder mehr seriell hintereinanderliegenden, schwefelanreichernden Abgasreinigungs­ einheiten. Verfahrensgemäß werden die schwefelanreichernden Ab­ gasreinigungseinheiten im Desulfatisierungsmodus nacheinander entschwefelt, und zwar in einer der Abgasströmungsrichtung ent­ sprechenden Reihenfolge. Dieser Desulfatisierungsprozeß wird von einer Sekundärluftzuführung begleitet, mit der Sekundärluft je­ weils nur noch stromabwärts von derjenigen schwefelanreichernden Abgasreinigungseinheit in den Abgasstrang zugeführt wird, die gerade entschwefelt wird. Damit wird einerseits eine unerwünsch­ te Sekundärluftzufuhr zu derjenigen Abgasreinigungseinheit, die gerade desulfatisiert wird, vermieden und andererseits eine Oxi­ dation von Kohlenmonoxid, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und bei der Entschwefelung eventuell entstehendem Schwefelwasser­ stoff gewährleistet.
Bei einem nach Anspruch 6 weitergebildeten Verfahren, das nach einer Kaltstartaktivierung den Katalysatorheizmodus und an­ schließend den Desulfatisierungsmodus beinhaltet, wird vorteil­ hafterweise das Motorluftverhältnis im Desulfatisierungsmodus leicht fett eingestellt, d. h. kraftstoffreicher als das stöchio­ metrische Verhältnis, jedoch kraftstoffärmer als im Katalysator­ heizmodus, was sich günstig auf den Kraftstoffverbrauch aus­ wirkt.
Gemäß einem nach Anspruch 7 weitergebildeten Verfahren wird die Dauer des jeweiligen Desulfatisierungsmodus aus einer sensori­ schen Überwachung des Schwefelspeicherzustands der schwefelan­ reichernden Abgasreinigungskomponente oder einer modellbasierten Schätzung ermittelt. In einer solchen Schätzung finden neben der verbrauchten Kraftstoffmenge und dem Schwefelgehalt des Kraft­ stoffs auch zwischenzeitlich stattgefundene, natürliche Desulfa­ tisierungsvorgänge Berücksichtung. Darunter sind solche Desulfa­ tisierungsprozesse zu verstehen, die bei warmgelaufenem Motor in Zeiträumen stattfinden, in denen aufgrund des aktuellen Motorbe­ triebszustands in der schwefelanreichernden Abgasreinigungskom­ ponente desulfatisierungsfördernde Bedingungen herrschen, insbe­ sondere ausreichend hohe Temperatur und ausreichend fettes Luft/­ Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, wie z. B. bei Autobahn- und/oder Vollastfahrt.
Die Verbrennungsmotoranlage nach Anspruch 8 beinhaltet wenig­ stens zwei seriell in den Abgasstrang geschaltete, schwefelan­ reichernde Abgasreinigungseinheiten sowie Sekundärluftzufuhrmit­ tel, die je einen eigenen Sekundärluftzufuhrzweig für die schwe­ felanreichernden Abgasreinigungseinheiten enthalten. Damit ist eine gezielte, verfahrensgemäße Sekundärluftzufuhr zur jeweili­ gen schwefelanreichernden Abgasreinigungskomponente möglich, um beispielsweise diese schneller auf Betriebstemperatur zu bringen oder im zugeführten Abgas enthaltene Kohlenwasserstoffe, Kohlen­ monoxid und/oder Schwefelwasserstoff zu oxidieren.
Die Verbrennungsmotoranlage nach Anspruch 9 beinhaltet stromab­ wärts der schwefelanreichernden Abgasreinigungskomponente, die eine oder mehrere serielle Abgasreinigungseinheiten umfassen kann, eine Oxidationskatalysatoreinheit. Die vorgesehenen Sekun­ därluftzufuhrmittel umfassen neben einem oder mehreren Sekundär­ luftzufuhrzweigen für die schwefelanreichernde Abgasreinigungs­ komponente zusätzlich einen eigenen Sekundärluftzufuhrzweig für die Oxidationskatalysatoreinheit, so daß in dieser beispielswei­ se während eines Desulfatisierungsvorgangs in der stromaufwärti­ gen, schwefelanreichernden Abgasreinigungskomponente gebildeter Schwefelwasserstoff oxidiert werden kann.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Hier­ bei zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm einer Verbrennungsmotor­ anlage und
Fig. 2 ein schematisches Betriebsablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb der Verbrennungsmotoranlage von Fig. 1.
Die in Fig. 1 gezeigte Verbrennungsmotoranlage, die insbesondere für ein Kraftfahrzeug vorgesehen sein kann, beinhaltet einen Verbrennungsmotor 1, an den sich ausgangsseitig ein Abgasstrang 2 anschließt. Dem Abgasstrang 2 ist eine Abgasreinigungsanlage zugeordnet, die eine schwefelanreichernde Abgasreinigungskompo­ nente in Form zweier hintereinandergeschalteter NOx-Speicherka­ talysatoren K1, K2 und einen nachgeschalteten Dreiwege-Kataly­ sator K3 umfaßt, der unter anderem eine oxidierende Funktion hat und damit als Oxidationskatalysatoreinheit fungiert. Mit einer Bypassleitung 3, in die ein ansteuerbares Ventil 4 geschaltet ist, können die beiden NOx-Speicherkatalysatoren bei Bedarf um­ gangen werden. Die beiden NOx-Speicherkatalysatoren K1, K2 dienen dazu, im Abgas enthaltene Stickoxide periodisch zu adsorbieren und zwecks Konvertierung, z. B. durch Abgasrückführung oder eine katalytische Reduktion, wieder zu desorbieren, wie dies an sich bekannt ist und daher hier keiner näheren Erläuterung und zeich­ nerischen Darstellung bedarf.
Die Abgasreinigungsanlage beinhaltet des weiteren Desulfatisie­ rungsmittel, um die NOx-Speicherkatalysatoren K1, K2 vom ange­ reicherten Schwefel, genauer von dem für die Stickoxid- Adsorptionsfunktion vergiftend wirkenden Sulfat, befreien zu kön­ nen. Diese Desulfatisierungsmittel umfassen Sekundärluftzufüh­ rungsmittel in Form einer Sekundärluftleitung L1 mit zugehöriger Sekundärluftpumpe 5. Die Sekundärluftleitung L1 verzweigt sich stromabwärts der Pumpe 5 in drei Leitungszweige L2, L3, L4, von denen ein erster Zweig L2 in einen ersten Abgasstrangabschnitt 2a zwischen Motor 1 und dem stromaufwärtigen NOx- Speicherkatalysator K1, ein zweiter Leitungszweig L3 in einen zweiten Abgasstrangabschnitt 2b zwischen den beiden NOx- Speicherkatalysatoren K1, K2 und ein dritter Leitungszweig L4 in einen dritten Abgasstrangabschnitt 2c zwischen dem stromabwärti­ gen NOx-Speicherkatalysator K2 und dem Dreiwege-Katalysator K3 münden. Jeder Leitungszweig L2, L3, L4 kann mittels eines zuge­ hörigen, ansteuerbaren Ventils 6, 7, 8 geöffnet und geschlossen werden.
Darüber hinaus umfassen die Desulfatisierungsmittel eine Desul­ fatisierungssteuereinheit, die vorzugsweise als entsprechender Steuerteil in Software oder Hardware in ein Motorsteuergerät in­ tegriert ist, das den Motor 1 und die übrigen Komponenten der Abgasreinigungsanlage 2 steuert. Soweit die diesbezüglichen Kom­ ponenten in Fig. 1 nicht gezeigt sind, können hierfür dem Fach­ mann geläufige, herkömmliche Komponenten verwendet werden. Dabei sind lediglich die Steuereinheiten so auszulegen, daß sie die gesamte Verbrennungsmotoranlage gemäß dem nachfolgend erläuter­ ten Verfahren betreiben können. Die Implementierung dieser Be­ triebsverfahrensschritte beispielsweise in das Motorsteuergerät ist dem Fachmann bei Kenntnis dieser Verfahrensschritte ohne weiteres möglich, so daß darauf hier nicht näher eingegangen zu werden braucht.
In Fig. 2 ist in Diagrammform ein Beispiel des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens für die Verbrennungsmotoranlage von Fig. 1 illustriert. Das Verfahrensbeispiel zeigt schematisch den zeit­ abhängigen Betriebsablauf für den Fall eines Kaltstarts. Dabei sind im Diagramm von Fig. 2 in vier übereinanderliegenden Dia­ grammen die Fahrzeuggeschwindigkeit vFzg, die Abgastemperatur T, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis λ und die Sekundärluftmasse mL, d. h. die von den Sekundärluftzufuhrmitteln in den Abgasstrang 2 eingespeiste Sekundärluftmenge, in ihrem Zeitverlauf wiedergege­ ben.
In einer ersten, zeitlich sehr kurzen Phase A wird ein Motor­ start bei kaltem Motor 1 ausgelöst, d. h. die Fahrzeuggeschwin­ digkeit vFzg ist null und die Abgastemperatur T liegt auf Umge­ bungstemperatur. Nach dieser Aktivierung eines Motorkaltstarts wird der Betrieb in einer anschließenden Phase B auf einen Kata­ lysatorheizmodus eingestellt. In diesem wird durch entsprechende Motorsteuerungsmaßnahmen und Sekundärluftzuführung eine mög­ lichst rasche Steigerung der Abgastemperatur bewirkt, um die Ab­ gasreinigungsanlage, speziell die Abgaskatalysatoren K1, K2, K3, schnell auf Betriebstemperatur zu bringen. Das dem Motor 1 zuge­ führte Luft/Kraftstoff-Gemisch wird hierzu fett eingestellt, d. h. auf einen Lambdawert kleiner eins, wie an einer entspre­ chenden, durchgezogen gezeichneten Kennlinie λM des Motorluftver­ hältnisses dargestellt. Gleichzeitig wird über den ersten Lei­ tungszweig L2 Sekundärluft in den stromaufwärtigen Abgasstrang­ abschnitt 2a eingespeist, wie mit einer entsprechenden, durchge­ zogen gezeichneten, ersten Sekundärluftkennlinie mL2 gezeigt. Die beiden anderen Sekundärluftleitungszweige L3, L4 bleiben ge­ schlossen.
Die Sekundärluftzuführung in den vom Motor 1 abgehenden Abgas­ strangabschnitt 2a führt zu einer mageren Abgaszusammensetzung, d. h. die Lambdawerte λK1, λK2 und λK3 in den drei Katalysatorein­ heiten K1, K2, K3 liegen über dem stöchiometrischen Wert eins, wie in Fig. 2 durch die gestrichelte Kennlinie λK1, die durchge­ zogene Kennlinie λK2 und die strichpunktierte Kennlinie λK3 ge­ zeigt. Wie weiter in Fig. 2 anhand entsprechender Temperatur­ kennlinien TK1, TK2 und TK3 dargestellt, nimmt durch diese Maßnah­ men im Katalysatorheizmodus die Abgastemperatur TK1 vor dem stromaufwärtigen NOx-Speicherkatalysator sehr schnell zu und er­ reicht am Ende dieser Heizphase B eine zur Durchführung einer anschließenden Desulfatisierungsphase ausreichende Entschwefe­ lungstemperatur von typischerweise etwa 550°C oder mehr. Paral­ lel dazu nehmen auch die Abgastemperatur TK2 vor dem stromabwär­ tigen NOx-Speicherkatalysator und die Abgastemperatur TK3 vor dem Dreiwege-Katalysator K3 in etwas geringerem Maße zu, wobei der Dreiwege-Katalysator K3 am Ende der Heizphase B seine Anspring­ temperatur für die Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstof­ fen und Kohlenmonoxid erreicht hat. Wie anhand einer Geschwin­ digkeitskennlinie vF zu erkennen, wird das Fahrzeug in der letz­ ten Hälfte der Heizphase B angefahren.
Nachdem die Katalysatoreinheiten K1, K2, K3 auf diese Weise auf Betriebstemperatur gebracht wurden, wird vom Katalysatorheizmo­ dus B auf einen Desulfatisierungsmodus umgeschaltet, der zwei aufeinanderfolgende Desulfatisierungsphasen C, D beinhaltet. In der ersten Desulfatisierungsphase C wird der Motoranlagenbetrieb primär auf die Desulfatisierung des stromaufwärtigen NOx-Spei­ cherkatalysators K1 eingestellt. Dazu wird die Zuführung von Se­ kundärluft über den ersten Leitungszweig L2 zu diesem NOx-Spei­ cherkatalysator K1 abgestellt, d. h. die zugehörige Luftmassen­ kennlinie mL2 fällt auf null ab. Gleichzeitig wird über den zwei­ ten Leitungszweig L3 Sekundärluft in den Abgasstrangabschnitt 2b vor dem stromabwärtigen NOx-Speicherkatalysator K2 zugeführt, wie am Anstieg einer zugehörigen, gestrichelt gezeichneten, zweiten Sekundärluftkennlinie mL3 zu erkennen. Das Motorluftverhältnis λM wird beim Übergang zum Desulfatisierungsmodus auf einen nur noch geringfügig unter dem stöchiometrischen Wert eins liegenden Wert angehoben, d. h. der Motor 1 wird leicht fett betrieben.
Durch diese Maßnahmen ändert sich das Katalysatorluftverhältnis λK1 im stromaufwärtigen NOx-Speicherkatalysator K1 von einem mage­ ren auf einen leicht fetten, den Desulfatisierungsvorgang för­ dernden Wert, während sich die Katalysatorluftverhältnisse λK2, λK3 in den beiden anderen Katalysatoren K2, K3 nicht wesentlich ändern und im mageren Bereich verbleiben. In diesen Katalysa­ toreinheiten K2, K3 können dadurch sowohl unverbrannte Kohlen­ wasserstoffe und Kohlenmonoxid als auch das möglicherweise bei der Desulfatisierung des stromaufwärtigen NOx-Speicherkatalysa­ tors K1 entstehender Schwefelwasserstoff oxidiert werden. Alter­ nativ zur gezeigten Sekundärluftzufuhr allein über den zweiten Leitungszweig L3 kann in dieser Betriebsphase mit im wesentli­ chen gleicher Wirkung eine Sekundärluftzufuhr nur über den drit­ ten Leitungszweig L4 für den Dreiwege-Katalysator K3 oder eine solche über den zweiten und dritten Leitungszweig L3, L4 vorge­ sehen sein.
Die Dauer der Desulfatisierungsphase C für den stromaufwärtigen NOx-Speicherkatalysator wird mittels einer Modellrechnung bezüg­ lich der Schwefelvergiftung ermittelt. In diese modellbasierte Schätzung des zu Beginn vorliegenden Schwefelgehalts im zu de­ sorbierenden NOx-Speicherkatalysator gehen als maßgebende Ein­ flußgrößen der verbrauchte Kraftstoff und dessen Schwefelgehalt sowie die Auswertung natürlicher Desulfatisierungsprozesse ein, wie sie gegebenenfalls während einer vorangegangenen Normalbe­ riebs-Fahrphase mit warmgelaufenen Motor aufgetreten sein kön­ nen, indem zeitweise die dafür günstigen Bedingungen vorgelegen haben. Dies ist z. B. bei Autobahn- und Vollast-Betriebsphasen der Fall. Zusätzlich oder alternativ zu dieser modellbasierten Schätzung kann eine sensorische Diagnose des NOx-Speicherzustands vorgesehen sein.
Sobald dann die erste Desulfatisierungsphase C für die ermittel­ te Dauer durchgeführt worden ist, wird auf die zweite Desulfati­ sierungsphase D umgeschaltet, in welcher primär der in Abgas­ strömungsrichtung nächste NOx-Speicherkatalysator K2 desulfati­ siert wird. Hierzu wird die Sekundärluftzufuhr über den zweiten Leitungszweig L3 für diesen stromabwärtigen NOx-Speicherkataly­ sator K2 beendet, d. h. die zugehörige Kennlinie mL3 fällt auf null ab. Gleichzeitig wird spätestens jetzt mit der Zuführung von Sekundärluft über den dritten Leitungszweig L4 für den Drei­ wege-Katalysator K3 begonnen, wie in Fig. 2 anhand einer zugehö­ rigen, dritten Luftmassenkennlinie mL4 dargestellt. Das Motor­ luftverhältnis λM wird unverändert im leicht fetten Bereich be­ lassen.
Durch diese Maßnahmen fällt das Katalysatorluftverhältnis λK2 für den nun zu desulfatisierenden NOx-Speicherkatalysator K2 vom vor­ mals mageren in den leicht fetten Bereich ab, wie es für den De­ sulfatisierungsprozeß günstig ist. Das Katalysatorluftverhältnis λK3 im Dreiwege-Katalysator K3 bleibt hingegen im mageren Be­ reich, so daß dort weiterhin die Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und gegebenenfalls bei der Desulfatisierung entstehendem Schwefelwasserstoff gewährleistet ist.
Sobald dann die wiederum geeignet ermittelte Dauer der Desulfa­ tisierungsphase D für den stromabwärtigen NOx-Speicherkatalysator K2 abgelaufen ist, wird die Verbrennungsmotoranlage für eine nächste Phase E auf Normalbetrieb umgestellt, d. h. auf kraft­ stoffverbrauchs- und motorleistungsoptimierten Betrieb. Das Mo­ torluftverhältnis λM wird in diesem Normalbetrieb möglichst mager eingestellt. Im Motor dadurch entstehende Stickoxide werden von den NOx-Speicherkatalysatoren K1, K2 adsorbiert. Sobald deren NOx-Speicherkapazität erschöpft ist, werden sie in herkömmlicher Weise einem Desorptionsvorgang unterzogen, wozu bei Bedarf auch die Sekundärluftzufuhrmittel aktiviert werden können.
Es versteht sich, daß in der beschriebenen Weise auch mehr als zwei seriell hintereinanderliegende NOx-Speicherkatalysatoren oder andersartige schwefelanreichernde Abgasreinigungskomponen­ ten desulfatisiert werden können.
Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren kann im übrigen auch bei Fehlen einer Sekundärluftzuführung angewendet werden, sofern es die Abgasemissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid in der Kaltstartphase zulassen. Die jeweils geeig­ neten Betriebsbedingungen werden dann allein durch Betriebs­ steuerungsmaßnahmen am Motor 1 selbst und ohne Sekundärluftzu­ führung in den Abgasstrang eingestellt. Insbesondere wird der Motor während der Kaltstartphase mit einem fetten Abgasgemisch versorgt, so daß einerseits eine schnelle Katalysatoraufheizung und andererseits eine Entschwefelung der schwefelanreichernden Abgasreinigungskomponente erreicht wird.

Claims (9)

1. Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsmotoranlage, insbe­ sondere eines Kraftfahrzeuges, die einen Verbrennungsmotor (1) mit zugehörigem Abgasstrang (2), eine im Abgasstrang angeordne­ te, schwefelanreichernde Abgasreinigungskomponente (K1, K2) und Mittel zur Desulfatisierung der schwefelanreichernden Abgasrei­ nigungskomponente umfaßt, wobei
  • - der Betrieb der Verbrennungsmotoranlage zu vorgebbaren Zeit­ punkten auf einen Desulfatisierungsmodus eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - der Betrieb der Verbrennungsmotoranlage jeweils im Anschluß an eine Kaltstartaktivierung des Verbrennungsmotors vor Übergang in einen Normalbetriebsmodus auf den Desulfatisierungsmodus eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Betrieb der Verbrennungsmotoranlage nach einer jeweiligen Motorkaltstartaktivierung zunächst auf einen Katalysatorheizmo­ dus zur Aufheizung der schwefelanreichernden Abgasreinigungskom­ ponente eingestellt und dann auf den Desulfatisierungsmodus um­ gestellt wird, wenn die Temperatur der schwefelanreichernden Ab­ gasreinigungskomponente einen vorgebbaren Entschwefelungsmin­ destwert überschritten hat.
3. Verfahren nach Anspruch 2 zum Betrieb einer Verbrennungsmo­ toranlage, die des weiteren Mittel zur Sekundärluftzuführung an einer oder mehreren Stellen des Abgasstrangs (2) beinhaltet, weiter dadurch gekennzeichnet, daß im Katalysatorheizmodus Sekundärluft in die schwefelanreichernde Abgasreinigungskomponente oder den Abgasstrangabschnitt strom­ aufwärts davon zugeführt und diese Sekundärzuluftfuhr bei Um­ stellung auf den Desulfatisierungsmodus beendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Betrieb ei­ ner Verbrennungsmotoranlage, die des weiteren Mittel zur Sekun­ därluftzuführung an einer oder mehreren Stellen des Abgasstrangs (2) und stromabwärts der schwefelanreichernden Abgasreinigungs­ komponente (K1, K2) eine Oxidationskatalysatoreinheit (K3) bein­ haltet, weiter dadurch gekennzeichnet, daß im Desulfatisierungsmodus Sekundärluft in die Oxidationskataly­ satoreinheit oder in den Abgasstrangabschnitt zwischen der schwefelanreichernden Abgasreinigungskomponente und der Oxida­ tionskatalysatoreinheit zugeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4 zum Betrieb einer Verbren­ nungsmotoranlage, die des weiteren Mittel zur Sekundärluftzufüh­ rung an einer oder mehreren Stellen des Abgasstrangs (2) bein­ haltet und bei der die schwefelanreichernde Abgasreinigungskom­ ponente mehrere seriell in den Abgasstrang geschaltete Abgas­ reinigungseinheiten (K1, K2) umfaßt, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die schwefelanreichernden Abgasreinigungseinheiten (K1, K2) im Desulfatisierungsmodus in Abgasströmungsrichtung nacheinander in einer jeweils zugehörigen Desulfatisierungsphase desulfatisiert werden, wobei während der jeweiligen Desulfatisierungsphase Se­ kundärluft in den Abgasstrang ausschließlich an einer oder meh­ reren Stellen stromabwärts der schwefelanreichernden Abgasreini­ gungseinheit, die momentan desulfatisiert wird, zugeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (λM) des den Verbrennungsmotor (1) zugeführten Luft-Kraftstoff-Gemischs im Desulfatisierungsmodus kraftstoffreicher als der stöchiometrische Wert und kraftstoff­ ärmer als im Katalysatorheizmodus gewählt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des jeweiligen Desulfatisierungsmodus aus einer senso­ rischen Überwachung des Speicherzustands der schwefelanreichern­ den Abgasreinigungskomponente und/oder einer modellbasierten Schätzung der gespeicherten Schwefelmenge ermittelt wird, wobei die Schätzung wenigstens in Abhängigkeit vom verbrauchten Kraft­ stoff und dessen Schwefelgehalt sowie von während eines vorange­ gangenen Normalbetriebsmodus eventuell stattgefundenen, natürli­ chen Desulfatisierungsprozessen erfolgt.
8. Verbrennungsmotoranlage, insbesondere für ein Kraftfahr­ zeug, mit
  • - einem Verbrennungsmotor (1) mit zugehörigem Abgasstrang (2),
  • - einer im Abgasstrang angeordneten, schwefelanreichernden Ab­ gasreinigungskomponente (K1, K2) und
  • - Mitteln zur Desulfatisierung der schwefelanreichernden Abgas­ reinigungskomponente, die Sekundärluftzufuhrmittel umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die schwefelanreichernde Abgasreinigungskomponente wenigstens zwei seriell in den Abgasstrang geschaltete Abgasreinigungs­ einheiten (K1, K2) beinhaltet und
  • - die Sekundärluftzufuhrmittel je einen eigenen Sekundärluftzu­ fuhrzweig (L2, L3) für die schwefelanreichernden Abgasreini­ gungseinheiten aufweisen.
9. Verbrennungsmotoranlage, insbesondere nach Anspruch 8, mit
  • - einem Verbrennungsmotor (1) mit zugehörigem Abgasstrang (2),
  • - einer im Abgasstrang angeordneten, schwefelanreichernden Ab­ gasreinigungskomponente (K1, K2) und
  • - Mitteln zur Desulfatisierung der schwefelanreichernden Abgas­ reinigungskomponente, die Sekundärluftzufuhrmittel umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - stromabwärts der schwefelanreichernden Abgasreinigungskompo­ nente (K1, K2) eine Oxidationskatalysatoreinheit (K3) vorgese­ hen ist und
  • - die Sekundärluftzufuhrmittel mindestens je einen Sekundärluft­ zufuhrzweig (L2, L3; L4) für die schwefelanreichernde Abgas­ reinigungskomponente (K1, K2) einerseits und die Oxidationska­ talysatoreinheit (K3) andererseits aufweisen.
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