DE19843859A1 - Katalysatorregenerationsverfahren - Google Patents
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Abstract
Vorgestellt wird ein Verfahren der Verbesserung der durch Schwefeleinfluß verringerten Abgasqualität bei Verbrennungsprozessen mit Abgaskatalysator, DOLLAR A bei dem die Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators ermittelt und mit einem Schwellwert verglichen wird und bei dem bei Unterschreiten des Schwellwertes die Abgastemperatur erhöht und/oder eine reduzierend wirkende Abgaszusammensetzung vor dem Katalysator erzeugt wird.
Description
Die Erfindung betrifft die Regeneration eines Dreiwege- oder
eines NOx-Speicherkatalysators. Die Abgasqualität heutiger
Ottomotoren wird sowohl im Lambda = 1 - Betrieb als auch im
Magerbetrieb, wie er für Benzindirekteinspritzmotoren
typisch ist, durch die Konvertierungsleistung des
Abgaskatalysators bestimmt.
Die Konvertierungsleistung kann sowohl reversibel als auch
irreversibel absinken. So wurde beobachtet, daß
Schwefeleinträge in den Katalysator dessen
Konvertierungsfähigkeit herabsetzen. Diese Schwefeleinträge
werden durch Schwefelanteile des Kraftstoffs verursacht. Die
Einträge sind temperaturabhängig und können im Betrieb des
Verbrennungsmotors wieder freigesetzt werden (SAE 750697).
Der Schwefelgehalt im Kraftstoff kann abhängig von
Mineralölgesellschaft (bzw. Bundesland in USA) stark
schwanken (zw. 15 ppm und 1000 ppm). Es besteht also ein
Interesse daran, das Abgas trotz Betriebs mit stark
schwefelhaltigem Kraftstoff nicht zu verschlechtern.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in
der Angabe eines Verfahrens, das eine Regeneration von
Katalysatoren im Betrieb von Verbrennungsmotoren möglichst
ohne störende Nebeneffekte wie Geruchsbildung,
Verbrauchserhöhung oder Einbußen beim Fahrkomfort erlaubt.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird beim Betrieb mit schwefelhaltigem
Kraftstoff eine Schwefelregeneration durchgeführt, um den
Katalysator von Schwefel zu befreien und die Abgasqualität
zu verbessern.
Dabei kann der Betrieb mit schwefelhaltigem Kraftstoff über
eine Abnahme der Sauerstoffspeicherfähig festgestellt
werden, da der Schwefel im Katalysator die Speicherplätze
belegt, die sonst von O2-Molekülen eingenommen werden. Über
ein herkömmliches Verfahren zur Bestimmung der
Sauerstoffspeicherfähigkeit von Katalysatoren (Kat-Diagnose)
kann die Sauerstoffspeicherfähigkeit bestimmt werden.
Falls eine erste Erfassung der Sauerstoffspeicherfähigkeit
eine verminderte Konvertierung, bzw.
Sauerstoffspeicherfähigkeit ergibt, wird ein Verfahren zur
Regeneration des Katalysators durchgeführt. Eine
Regeneration des Katalysators von Schwefel findet bei hohen
Temperaturen und bei leicht fettem Gemisch (λ<1) statt. Es
gibt verschiedene Möglichkeiten, die Schwefelregeneration
durchzuführen.
- a) Künstliches Verringern des Motorwirkungsgrades, etwa durch späte Zündwinkel. Dies führt zu einer hohen Abgastemperatur. Bei gleichzeitig fettem Gemisch kann der Schwefel regeneriert werden. Vorteilhafterweise wird die Anfettung so auf die Zündwinkelverschiebung abgestimmt, daß sich der gegenläufige Einfluß beider Maßnahmen auf das Motordrehmoment kompensiert. Ein Vorteil dieser Möglichkeit liegt darin, daß sie jederzeit durchführbar ist.
- b) Warten auf einen Betriebspunkt mit hohem Luftmassendurchsatz des Motors (z. B. Vollast). Dadurch erhält man hohe Katalysatortemperaturen. Bei vielen Motoren findet bei hoher Last aus Bauteileschutzgründen eine Anfettung des Gemisches statt. Dadurch ergibt sich eine automatische Schwefelregeneration.
- c) Im Schiebebetrieb mit abgeschalteter Kraftstoffzufuhr wird der Katalysator mit Sauerstoff maximal gefüllt. Beim Wiedereinsetzen der Kraftstoffzufuhr erfolgt eine leicht Gemischanfettung, um überschüssigen Sauerstoff aus dem Kat auszuräumen. Wird jetzt der Zündwinkel noch spätgezogen, kann auch hier der Schwefel regeneriert werden. Die erfindungsgemäße Regenerierstrategie kann bspw. am Anfang einer Fahrt eine Katalysatordiagnose zur Feststellung der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysators vorsehen. Liegt die Sauerstoffspeicherfähigkeit oberhalb einer vorbestimmten Schwelle, dann wird keine weitere Maßnahme ergriffen. Liegt die Sauerstoffspeicherfähigkeit unter einer Schwelle, erfolgt eine Schwefel-Regeneration mit anschließender erneuter Katalysatordiagnose.
Falls die Sauerstoffspeicherfähigkeit dann immer noch
unterhalb eines Schwellwertes liegt, muß eine irreversible
Katalysatorschädigung durch Alterung angenommen werden. Mit
Blick auf die Regenerationstrategie erfolgen dann keine
weiteren Maßnahmen. Hat sich die Sauerstoffspeicherfähigkeit
durch die Regeneration verbessert, lag eine reversible
Schwefelvergiftung vor. In diesem Fall wird ein Zähler
gestartet, der ein Maß für den eingebrachten Schwefel
darstellt. Als Maß kommt der Quotient zwischen dem
verbrauchten Kraftstoff und dem Motorwirkungsgrad in Frage.
Der Motorwirkungsgrad ergibt sich aus den
Betriebsparametern, die im Steuergerät vorliegen und ist
daher prinzipiell bekannt. Ein höherer Wirkungsgrad
verkleinert den Quotienten. Dies trägt dem Umstand Rechnung,
daß Hochlastzustände bereits eine gewisse Regenerierung mit
sich bringen. Wenn der Zähler einen vorbestimmten Wert Z1
erreicht hat, wird eine erneute Diagnose vorgenommen.
Falls die Sauerstoffspeicherfähigkeit wieder abgenommen hat,
wird eine erneute Schwefel-Regenerierung durchgeführt. Der
Zähler z(S) wird resetiert und die nächste Diagnose mit
Schwefelregenerierung wird durchgeführt, bevor Z1 erreicht
ist. Falls die Sauerstoffspeicherfähigkeit beim Erreichen
von Z1 noch nicht abgenommen hat, wird die nächste Diagnose
mit Schwefelregenerieung erst nach einem längeren Zeitraum
durchgeführt, etwa nach Z1 + Offset. Auf diese Weise erfolgt
eine automatische Anpassung der Abstände zwischen den
Regenerierphasen an den tatsächlichen, durch die
Katalysatoreigenschaften und den Schwefelgehalt im
Kraftstoff bestimmten Bedarf.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter
Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 zeigt das technische Umfeld der Erfindung.
Im einzelnen zeigt Fig. 1 einen Verbrennungsmotor 1 mit
einem Katalysator 2, Abgassonden 3 und 4, einem Steuergerät
5, einem Kraftstoffzumeßmittel 6, sowie verschiedenen
Sensoren 7, 8, 9 für Last L und Drehzahl n sowie ggf.
weitere Betriebsparameter des Verbrennungsmotors wie
Temperaturen, Drosselklappenstellung etc. Der Katalysator
weist einen ersten Teil 2a und einen zweiten Teil 2b auf.
Teil 2a stellt den NOx-Speicherkatalysator dar. Teil 2b
repräsentiert einen integrierten oder nachgeschalteten
Sauerstoffspeicher. Die Erfindung ist jedoch auch bei einem
Drei-Wege-Katalysator anwendbar, bei dem sowohl der Bereich
2a als auch der Bereich 2b jeweils einen Sauerstoffspeicher
repräsentiert.
Aus den genannten und ggf. weiteren Eingangssignalen bildet
das Steuergerät u. a. Kraftstoffzumeßsignale, mit denen das
Kraftstoffzumeßmittel 6 angesteuert wird. Das
Kraftstoffzumeßmittel 6 kann sowohl für eine sogenannte
Saugrohreinspritzung als auch für eine
Benzindirekteinspritzung in die Brennräume 1a der einzelnen
Zylinder ausgestaltet sein. Die Variation der
Gemischzusammensetzung kann über eine Veränderung der
Einspritzimpulsbreiten erfolgen, mit denen das
Kraftstoffzumeßmittel angesteuert wird. Der Kern des
erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft in diesem Umfeld in
erster Linie das Steuergerät 5, die hinter dem Katalysator
angeordnete Abgassonde 4 sowie das Mittel 10 zur Anzeige
und/oder Abspeicherung einer Information über die
Speicherfähigkeit.
Fig. 2 zeigt das Prinzip einer NOx-Katalysatorgerechten
Genischsteuerung. Die Steuerung des NOx-Speicher-
Katalysators basiert auf einer kontinuierlich durchgeführten
modellgestützten Berechnung im Steuergerät, welche den
aktuellen Beladungsgrad des Katalysators mit Stickstoff
liefert.
Die Katalysatortemperatur wird modelliert unter Rückgriff
auf die Abgastemperatur und die gemessene
Ansaugluftmengenrate. Die NOx-Rohemission des Motors ist für
geschichteten und homogenen Magerbetrieb wie folgt zu
erfassen: Im Betrieb mit geschichteter Ladung wird ein NOx-
Rohemissionswert durch Zugriff auf ein von Last und Drehzahl
adressierbares Kennfeld gewonnen. Dieser Wert wird noch mit
der Abgasrückführrate korrigiert. Im homogenen Lambdabetrieb
erfolgt eine ergänzende Korrektur, die den Lambdawert
berücksichtigt.
Im Magerbetrieb wird der aktuelle Beladungsgrad ermittelt,
indem die NOx-Rohemissionen relativ zur Ansaugluftmasse und
Katalysatortemperatur bewertet und nachfolgend integriert
werden. Der Beladungsgrad korreliert mit den NOx-Emissionen
hinter dem Katalysator: Diese steigen mit zunehmendem
Beladungsgrad näherungsweise linear an. Wenn ein
vorbestimmter Wert für die NOx-Emissionen hinter dem
Katalysator erreicht wird, was über einen Schwellwert für
den Beladungsgrad abschätzbar ist, wird der Speicherprozess
beendet und zum Zweck der Regeneration des NOX-
Speicherkatalysators auf fetteres Gemisch umgeschaltet.
Die Regenerationsphase wird in ähnlicher Weise
modellgestützt durchgeführt, so daß in Abhängigkeit vom
fetten Lambdawert und der Menge der angesaugten Luft die
Reduktionsmittelmenge, die zur Regeneration des Speichers
benötigt wird, berechnet wird.
Die oben genannte Steuerstrategie kann durch einen hinter
dem Katalysator angeordneten NOx-Sensor unterstützt werden.
Dieser könnte überprüfen, ob die modellgestützte Ermittlung
des Beladungsgrades korrekt ist. Wenn die Zeit bis zur
Erreichung eines Schwellwertes mit dem Modell übereinstimmt,
sind die Modellparameter korrekt. Wenn der Schwellwert
infolge einer Katalysatoralterung eher erreicht wird, läßt
das auf eine verringerte Speicherkapazität schließen.
Diese Information kann zur Erfassung einer
Schwefelvergiftung verwendet werden. Fällt die
Speicherkapazität unter einen vorbestimmten Schwellwert,
erfolgt der Versuch einer Regeneration des Speichers.
Wenn die Speicherkapazität weiterhin unterhalb des
Schwellwertes bleibt, zeigt dies eine irreversible
Schädigung des Katalysators an. Entsprechend wird in diesem
Fall die Fehlerlampe eingeschaltet.
Für den Fall, daß NOx-Sensoren mit hoher Meßgenauigkeit und
der für Kfz-Anwendungen notwendigen Langzeitstabilität nicht
zur Verfügung stehen sind andere Mittel zu finden.
Es wurden Wege gesucht, um den NOx-Speicherkatalysator mit
konventioneller Sensortechnologie überwachen zu können. Die
Verwendung eines bewährten Zweipunktsensors ist insbesondere
aus Ksotengründen vorteilhaft. Anders als der NOx-Sensor
liefert der Zweipunktsauerstoffsensor kein aussagekräftiges
Signal in Bereich magerer Kraftstoff/Luftgemische.
Lediglich vollständige Füllungen und Entleerungen des
Katalysators führen zu aussagekräftigen Wechseln des
Signalpegels. Dies kann wie folgt genutzt werden: Die Zeit
mit Fett-Steuerung wird verlängert, bis die hintere Sonde
reagiert. In Kenntnis der Ansaugluftmenge und des
Lambdawertes ist aus der gesamten Regenerationszeit die
Summe aus Sauerstoff und NOx-Speicherfähigkeit ableitbar.
Für einen definierten Katalysatortyp ist es möglich, den
Anteil der NOx-Speicherkapazität an der gemessenen
gesamtkapazität anzugeben. Dies basiert auf der Annaheme
einer geleichmäßigen Alterung des NOx-Speichers und des
Sauertsoffspeichers im Katalysator. Auf diese Weise ist es
möglich, Änderungen der NOx-Speicherfähigkeit zu
detektieren.
Wenn die gesamte Speicherfähigkeit unzulässig stark
abgesunken ist, muß eine Schwefel-Regeneration durchgeführt
werden. Wenn die Gesamtspeicherkapazität auch nach
wiederholten Versuchen zur Regeneration nicht
wiederhergestellt werden kann, muß eine irreversible
Schädigung angenommen werden.
Erfahrungsgemäß führen Kraftstoffe mit etwa 150 ppm
Gewichtsanteil maximal einmal pro Tankfüllung zu einer
Schwefelvergiftung, die eine Schwefelregeneration
erforderlich macht.
Die Bedingungen für eine Schwefelregeneration können durch
Umschaltung zu Homogenbetrieb (homogene Gemischverteilung im
Brennraum, stöchiometrisches oder fettes Gemisch) in
Verbindung mit einer Spätverstellung der Zündung erzwungen
werden. Die Spätzündung heizt das Abgas in der erwünschten
Weise auf. Damit verbunden verschlechtert sich der
Wirkungsgrad des Motors und das Drehmoment sinkt.
Vorteilhafterweise erfolgt die Spätverstellung so, daß die
damit verbundene Drehmomentabsenkung den Drehmomentanstieg,
der mit dem Umsteuern auf Homogenbetrieb verbunden ist,
kompensiert.
Eingespeicherter Schwefel belegt die Speicherplätze, in die
sonst O2 eingespeichert wird. Durch stöchiometrisches oder
fettes Gemisch (λ<1) und hohe Temperaturen läßt sich der
Schwefel wieder aus dem Kat entfernen. Hohe
Abgastemperaturen lassen sich beim Ottomotor durch
Spätziehen des Zündwinkels erreichen. Beim Dieselmotor kommt
dafür eine Spätverlegung des Einspritzbeginns in Frage.
Im Schritt 2.2 erfolgt eine Prüfung der Funktionsfähigkeit
des Katalysators. Derartige Prüfungen sind in den
Patentanmeldungen DE 198 01 625 und DE 198 01 626
beschrieben. Deren Offenbarung soll bzgl. der Prüfung der
Funktionsfähigkeit mit einbezogen sein. Ein Beispiel einer
Prüfung ist in Fig. 3 dargestellt:
Fig. 3 stellt in Fig. 3a den Wechsel in der
Gemischzusammensetzung vor dem Katalysator in Verbindung mit
dem Signal US der hinteren Abgassonde 4 (Fig. 3b) bei einem
Ausführungsbsp. der Erfindung dar.
In einer ersten Phase Ph1 wird der Motor mit Lambda größer
als Eins, d. h. mit Luftüberschuß betrieben. Der niedrige
Signalpegel der hinteren Sonde in Fig. 3b zeigt an, daß auch
hinter dem Katalysator Luft- bzw. Sauerstoffüberschuß
herrscht. Zum Zeitpunkt t1 wird die Gemischzusammensetzung
von Lambda größer Eins auf Lambda kleiner Eins, also
Sauerstoffmangel umgesteuert. Zum Zeitpunkt t2 reagiert der
hintere Sensor 4 auf den Sauerstoffmangel mit einem Anstieg
seines Signals vom niedrigen auf den hohen Pegel. Aus den
oben dargestellten Gründen ist die Zeitdauer T = Betrag (t2-t1)
ein Maß für die Summe der NOx- und der
Sauerstoffspeicherfähigkeit des Katalysatorsystems. Mit
anderen Worten: Die Zeit T ist eine zur quantitativen
Beurteilung geeignete Größe. Wie aus Fig. 3b ersichtlich
ist, kann der Zeitpunkt t2 bspw. durch eine
Schwellwertüberschreitung des Signals der hinteren Sonde
bestimmt werden.
Die Zeit t1 kann im Steuergerät direkt erfaßt werden. Bei
einem sprungartigen Umsteuern von Lambda ist t1 der
Zeitpunkt, ab dem die Einspritzimpulsbreiten vergrößert
werden. In diesem Fall ist t1 noch mit der Unschärfe der
Gaslaufzeit zwischen Beginn der Einspritzung und dem
Zeitpunkt, zu dem die Verbrennungsprodukte den Katalysator
erreichen, behaftet. Diese Zeit ist jedoch klein gegen die
Zeit T und kann daher in erster Näherung vernachlässigt
werden. Wird eine höhere Genauigkeit der Bestimmung des
Zeitpunktes t1 gewünscht, kann der Zeitpunkt des
Signalpegelwechsels der vorderen Abgassonde 3 genutzt
werden. Die dargestellte Änderung der Gemischzusammensetzung
führt dazu, daß der Verbrennungsmotor Kohlenwasserstoffe und
Kohlenmonoxid als Reduktionsmittel emittiert. Alternativ zur
Emission von reduzierend wirkenden Abgaskomponenten kann das
Reduktionsmittel auch aus einem Vorratstank über ein vom
Steuergerät angesteuertes Ventil dem Abgas vor dem
Katalysator zugeführt werden. Der Motor kann dann
durchgehend mit magerem Gemisch betrieben werden.
Bei der Diagnose kann ist unter Umständen zwischen a)
Motoren bei λ=1-Betrieb und b) Motoren im Magerbetrieb,
insbesondere Motoren mit Benzindirekteinspritzung,
zu unterscheiden.
- a) Für Fz mit konventionellem λ=1-System ist die heute
gängige Überwachungsmethode, die Konvertierungsrate des
Drei-Wege-Katalysators über dessen
Sauerstoffspeichervermögen zu bestimmen. Es gilt der
Zusammenhang, daß Konvertierungsrate und
Sauerstoffspeichervermögen bei dem Alterungsvorgang des Kats
miteinander abnehmen.
Nach einer ersten Diagnose, die eine nicht ausreichende Funktionsfähigkeit liefert, wird eine Schwefel- Regenerationsphase wie oben beschrieben eingeleitet. Danach wird eine erneute Diagnose ausgeführt. - b) Für Fz mit magerem Motorbetrieb λ < 1 (MagerMix, Benzin- Direkteinspritzung) genügt der Drei-Wege-Katalysator den Anforderungen an die Abgasqualität nicht mehr. Die eingesetzten Speicherkatalysatoren speichern während des Magerbetriebs NOx-Emissionen ein. Durch "fetten" Motorbetrieb werden eingespeicherte Nitrate freigesetzt und zu N2 reduziert. Danach ist der NOX-Speicher wieder aufnahmebereit.
Ähnlich wie beim Drei-Wege-Katalysator kann eine Verkürzung
der Zeitspanne T zur Regeneration des Speicherkatalysators
ausgewertet, da im gealterten Zustand weniger NOx-Emissionen
eingespeichert werden können und somit der Bedarf an
Reduktionsmittel geringer ist.
Das verringerte NOx-Speichervermögen läßt sich aber auch
hier auf eine reversible Schwefelvergiftung zurückführen,
welche erkannt und durch geeignete Maßnahmen beseitigt
werden muß.
Das NOx-Speichervermögen wird vom Alterungszustand und
Vergiftungszustand des Speicherkatalysators bestimmt. Bei
gealtertem Katalysator wird das aktive Speichermaterial
geschädigt und es können weniger NOx-Emissionen
eingespeichert werden (Steigung des NOX-Emissionsverlaufs
nach Kat ist größer).
Schematisch läßt sich die Einspeicherung mit folgender
Reaktionsgleichung darstellen:
BaO + 2 NO2 + 0.5 O2 → Ba(NO3)2 (1)
Hierbei ist stellvertretend Bariumoxid als Speichermaterial
angeführt.
Der im Kraftstoff vorhandene Schwefelgehalt wird im Abgas in
Form von SO2 auftreten und bei der Einspeicherung in den
NOx-Kat das NO2 substituieren. Dies bedeutet, daß neben den
Nitraten ebenfalls Sulfate die Speicherplätze im NOx-Kat
belegen. Die gespeicherten Sulfate sind wesentlich stabiler
und werden bei der Standardregeneration (siehe Anlage 2)
nicht freigesetzt und belegen weiterhin Speicherplätze. Die
oben beschriebene Kat-Diagnose erkennt diese
Vergiftungserscheinung (T wird kleiner; das benötigte
Reduktionsmittel wird geringer, da weniger NOx
eingespeichert werden kann).
Wird durch die Kat-Diagnose der Katalysator als defekt
erkannt, muß zuerst überprüft werden, ob der Defekt aufgrund
der Schwefelvergiftung auftritt. Dies bedeutet, daß nach
Anschlagen der Diagnosefunktion der Motor in einen
Betriebszustand gebracht werden muß, welcher den Schwefel
zuverlässig austreibt. Danach sind die durch Schwefel
belegten Speicherplätze wieder frei und die Diagnosefunktion
erkennt den Speicherkat als gut (ausreichend NOx-
Speichervermögen).
Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, den
Betriebszustand des Motors zur Schwefelregeneration so zu
wählen, daß eine Temperatur im Katalysator von Tkat < 650°C
und ein λ = 0.98 für eine Zeitdauer von 60 bis 120 Sekunden
z. B. durch Spätziehen der Zündwinkel bei gleichzeitiger
Anfettung gewährleistet ist. Die Zeitdauer für die
Schwefelregeneration richtet sich in jedem Fall danach, daß
der Katalysator von Schwefel zuverlässig befreit ist.
Der Lambdawert 0,98 führte zu einer Minimierung der
Geruchsbildung im vergleich zu anderen Lambdawerten bei der
Schwefelregeneration.
Claims (3)
1. Verfahren der Verbesserung der durch Schwefeleinfluß
verringerten Abgasqualität bei Verbrennungsprozessen mit
Abgaskatalysator,
dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffspeicherfähigkeit
des Katalysators ermittelt und mit einem Schwellwert
verglichen wird, bei Unterschreiten des Schwellwertes die
Abgastemperatur erhöht und/oder eine reduzierend wirkende
Abgaszusammensetzung vor dem Katalysator erzeugt wird.
2. Verfahren der Verbesserung der durch Schwefeleinfluß
verringerten Abgasqualität bei Verbrennungsprozessen mit
Abgaskatalysator, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Maß für den Schwefeleintrag ab einem
vorbestimmten Zeitpunkt gebildet wird und mit einem
Schwellenwert verglichen wird und daß bei Überschreiten des
Schwellwertes die Abgastemperatur erhöht und/oder eine
reduzierend wirkende Abgaszusammensetzung vor dem
Katalysator erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
bei der Bildung des Maßes wenigstens eine der Größen
- 1. Kraftstoffverbrauch,
- 2. Motorwirkungsgrad,
- 3. Gemischzusammensetzung
Priority Applications (4)
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