DE19959605A1

DE19959605A1 - Vorrichtung und Verfahren zur NOx- und/oder SOx-Regeneration eines NOx-Speicherkatalysators

Info

Publication number: DE19959605A1
Application number: DE19959605A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Pott
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1999-12-10
Filing date: 1999-12-10
Publication date: 2001-06-13
Also published as: DE50002057D1; ATE239860T1; EP1106798A1; EP1106798B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur NO¶x¶- und/oder SO¶x¶-Regeneration eines NO¶x¶-Speicherkatalysators, der in einer Abgasanlage eines Dieselmotors angeordnet ist und der zur Regeneration mit einem erhöhten Reduktionsmittel-Massenstrom am Abgas beaufschlagt wird. DOLLAR A Es ist vorgesehen, daß Mittel vorgesehen sind, mit denen die Erhöhung des Reduktionsmittel-Massenstromes ganz oder in Teilen durch eine Nacheinspritzung von Kraftstoff in den Dieselmotor (10) und/oder in die Abgasanlage (12) erreicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur NO_x- und/oder SO_x- Regeneration eines NO_x-Speicherkatalysators, der in einer Abgasanlage eines Dieselmotors angeordnet ist, mit den in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 10 genannten Merkmalen.

Es ist bekannt, ein während einer Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches entstehendes Abgas von Dieselmotoren zur Reinigung durch eine Abgasreinigungseinrichtung zu leiten. Eine solche Abgasreinigungseinrichtung umfaßt dabei üblicherweise Komponenten, wie Partikelfilter oder Katalysatoren, die eine Umsetzung von Schadstoffen am Abgas in weniger umweltrelevante Produkte ermöglichen. So können einerseits Reduktionsmittel, wie Kohlenmonoxid CO, unverbrannte Kohlenwasserstoffe HC oder Wasserstoff H₂, an Oxidationskatalysatoren unter magerer Atmosphäre, das heißt bei Sauerstoffüberschuß, weitestgehend oxidiert werden. Andererseits müssen während der Verbrennung entstehende Stickoxide NO_x durch die Reduktionsmittel an sogenannten Reduktionskatalysatoren umgesetzt werden. Da ein Betrieb von Dieselmotoren, insbesondere DI-Dieselmotoren, unter mageren Bedingungen bevorzugt ist, stehen für letztere Reaktion im allgemeinen nicht die erforderlichen Reduktionsmittelmassen zu Verfügung. Zur Abhilfe ist daher bekannt, sogenannte NO_x-Speicher in dem Abgaskanal anzuordnen, die in Phasen magerer Atmosphäre NO_x als Nitrat einspeichern und dieses in Phasen stöchiometrischer oder fetter Atmosphäre wieder desorbieren. Der NO_x-Speicher läßt sich mit den Reduktionskatalysatoren zusammenfassen als ein sogenannter NO_x-Speicherkatalysator, der dann das eingespeicherte Nitrat als Stickstoff N₂ freisetzt.

Da derartige NO_x-Speicherkatalysatoren naturgemäß nur über ein begrenztes Speichervolumen verfügen, muß in regelmäßigen Abständen eine Regeneration durch einen Wechsel in den stöchiometrischen oder fetten Betrieb durchgeführt werden. Beinhaltet der Kraftstoff schwefelhaltige Anteile, so kommt es während des Verbrennungsvorganges zusätzlich zur Bildung von Schwefeloxiden SO_x, die als Sulfate ebenfalls in den NO_x-Speicherkatalysator eingelagert werden. Zwar ist auch die SO_x-Absorption reversibel, jedoch erfordert sie wesentlich höhere Temperaturen (beispielsweise bei auf Bariumoxid basierenden Speicherkatalysatoren Temperaturen von über 600°C). Demnach sind zumeist zusätzliche Heizmaßnahmen zur Regeneration (Entschwefelung) notwendig.

Eine Erhöhung eines Reduktionsmittel-Massenstromes am Abgas kann in bekannter Weise, beispielsweise durch Androsselung, Ladedrucksenkung oder einer Anpassung einer EGR-Rate, erfolgen. Insbesondere bei Dieselmotoren ist allerdings aus Gründen des Fahrverhaltens ein rascher Wechsel zwischen verschiedenen Androsselungsstufen unerwünscht. Desweiteren erfolgt eine Änderung des Abgaslambdawertes mit vorgenannten Methoden zeitverzögert, das heißt, die Anpassung ist relativ träge und es kann unter Umständen zu einer Überregelung kommen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit denen es in einfacher Weise möglich ist, den Reduktionsmittel- Massenstrom zu erhöhen, ohne vorgenannte Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren und die Vorrichtung zur NO_x- und/oder SO_x-Regeneration eines NO_x-Speicherkatalysators mit den in den Ansprüchen 1 und 10 genannten Merkmalen gelöst. So sind Mittel vorgesehen, mit denen die Erhöhung des Reduktionsmittel-Massenstromes ganz oder in Teilen durch eine Nacheinspritzung von Kraftstoff in den Dieselmotor und/oder in die Abgasanlage erreicht wird. Anstelle der vergleichsweise trägen Anpassung zum Beispiel durch Änderung der Luftmassenströme ist es über das vorgenannte Verfahren möglich, durch Variation einer Einspritzmenge während der Nacheinspritzung ein sehr viel schnelleres Anspruchsverhalten zu realisieren.

Die Nacheinspritzung wird während der Regeneration vorzugsweise alternierend aktiviert und deaktiviert. Das heißt, die Regeneration ist in aktive und inaktive Phasen unterteilt. Ein derartiger Mager-Fett-Zyklus unterdrückt die Bildung geruchsintensiven und daher unerwünschten Gasen, wie Schwefelwasserstoff H₂S und Ammoniak NH₃. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, eine Dauer der aktiven und/oder inaktiven Phasen in Abhängigkeit von einem Beladungsgrad mit Schwefel, einem aktuellen Lambdawert, einer Katalysatortemperatur oder einem Betriebszustand des Motors zu bestimmen. Weiterhin ist vorteilhaft, die aktiven und/oder inaktiven Phasen mit zunehmender Regenerationsdauer zu verkürzen. Insgesamt läßt sich durch die geschilderten Maßnahmen der Regenerationsablauf hinsichtlich der Bildung unerwünschter Nebenprodukte und der Regenerationsdauer optimieren.

Ferner ist es vorteilhaft, die Einspritzmenge der aktiven Phasen in Abhängigkeit vom Beladungsgrad, dem aktuellen Lambdawert, der Katalysatortemperatur oder dem Betriebszustand des Motors festzulegen. Auch hier hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Einspritzmenge während der aktiven Phase mit zunehmender Regenerationsdauer zu verkleinern. Über die Änderung der Einspritzmenge ist - wie bereits erläutert - eine sehr viel schnellere Lambdaregelung des Abgases realisierbar als durch die bei den herkömmlichen Verfahren bekannten Maßnahmen.

Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, mit Beginn der Regeneration zunächst den Lambdawert durch Androsselung und/oder Ladedrucksenkung und/oder Anpassung einer EGR-Rate auf einen vorgegeben, gerade noch mageren Ausgangswert, insbesondere im Bereich von λ = 1,001 bis 1,5 einzustellen und erst anschließend die Nacheinspritzung zu initiieren. Der Ausgangswert kann dabei wiederum in Abhängigkeit vom Beladungsgrad, dem aktuellen Lambdawert, der Katalysatortemperatur oder dem Betriebszustand des Motors ermittelt und innerhalb eines Regenerationszyklus laufend neu bestimmt werden. Eine solche Vorgehensweise ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da auf diese Weise die zur Regeneration notwendigen Temperaturen zumindest aufrechterhalten werden können. So weist das Abgas im stöchiometrischen beziehungsweise gerade noch mageren Bereich eine höhere Abgastemperatur auf als im mageren "Normalbetrieb" von Dieselmotoren. Die Ladedrucksenkung, die EGR-Ratenänderung und/oder die Androsselung kann dabei zusätzlich derart durchgeführt werden, daß diese Maßnahmen zu einer Erhöhung der Abgastemperatur führen und damit die Heizmaßnahme während der Regeneration aufrechterhalten werden kann.

Vorteilhafterweise wird zur Nacheinspritzung ein bereits vorhandenes Einspritzsystem des Dieselmotors genutzt. Dieses kann ebenfalls zur Kraftstoffeinspritzung in die Abgasanlage einsetzbar sein. Denkbar ist aber auch, ein zusätzliches Einspritzsystem für die Abgasanlage vorzusehen.

Vorteilhaft ist ferner, wenn die Vorrichtung ein Steuergerät umfaßt, in dem eine Prozedur zur Regelung der Regeneration hinterlegt ist. Das Steuergerät kann in einer bereits vorhandenen Motorsteuerung integriert sein oder aber auch als selbständige Regeleinheit realisiert werden.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Dieselmotors mit einer Abgasanlage und

Fig. 2 einen Verlauf von Lambda während einer NO_x- und/oder SO_x-Regeneration eines NO_x-Speicherkatalysators der Abgasanlage.

Die Fig. 1 zeigt einen Dieselmotor 10, beispielsweise ein DI- oder Turbo-Dieselmotor, mit einer Abgasanlage 12 in einem Abgaskanal 14. Die Abgasanlage 12 umfaßt einen Vorkatalysator 16 und einen NO_x-Speicherkatalysator 18, die zur Reinigung eines Abgases, das während einer Verbrennung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches in dem Dieselmotor 10 entsteht, vorgesehen sind. Weiterhin können in dem Abgaskanal 14 Gassensoren 20, 22, 24 sowie Temperatursensoren 26, 28 vorgesehen sein, mit deren Hilfe Betriebsparameter des Abgases und/oder der Komponenten der Abgasanlage 12 in ein Motorsteuergerät 30 eingelesen werden können.

Weiterhin ist dem Dieselmotor 10 eine Abgasrückführeinrichtung 32 zugeordnet. Die Abgasrückführeinrichtung 32 besitzt als Stellglieder ein Abgasrückführventil 36 sowie eine Drosselklappe 38, die in einem Ansaugkanal 40 angeordnet ist. Über die Abgasrückführeinrichtung kann in bekannter Weise eine EGR-Rate (Abgasrückführrate) und/oder eine Androsselung eines angesaugten Luftstromes erfolgen.

Ferner ist dem Dieselmotor 10 ein Einspritzsystem 34 zugeordnet, das in bekannter Weise eine Regulierung einer Einspritzmenge, einer Einspritzzeit, eines Einspritzdruckes oder Zündwinkels erlaubt. Eine Kraftstoffeinspeisung durch das Einspritzsystem 34 kann direkt in den Dieselmotor 10 als auch im Bereich der Abgasanlage 12 erfolgen. Zur Kraftstoffeinspeisung in die Abgasanlage 12 kann beispielsweise eine Düse 44 vor dem NO_x-Speicherkatalysator 18 vorhanden sein, die über das Einspritzsystem 34 angesteuert wird. Denkbar ist auch, für letztere Kraftstoffeinspeisung ein separates zusätzliches Einspritzsystem vorzusehen.

Dem Einspritzsystem 34 werden während einer Regeneration des NO_x-Speicherkatalysators 18 über ein Steuergerät 42 in noch näher zu erläuternder Weise Sollgrößen vorgegeben. Das Steuergerät 42 kann Teil des Motorsteuergerätes 30 sein und weist eine Prozedur zur Regelung einer Nacheinspritzung für die Regeneration des NO_x-Speicherkatalysators 18 auf.

In einem Normalbetrieb wird der Dieselmotor 10 unter stark magerer Atmosphäre betrieben. Zwar sind die Emissionen von Reduktionsmitteln, wie Kohlenmonoxid CO und unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC, unter solchen Bedingungen sehr niedrig, gleichzeitig werden diese Komponenten jedoch auch zur Reduktion von während der Verbrennung entstehenden Stickoxiden NO_x benötigt. Um eine NO_x-Emission möglichst niedrig zu halten, wird daher das NO_x im Magerbetrieb im NO_x-Speicherkatalysator 18 absorbiert, und zwar solange, bis eine Speicherkapazität erschöpft ist oder eine NO_x-Desorptionstemperatur erreicht wird. Vor diesem Zeitpunkt muß demnach eine NO_x-Regeneration, das heißt ein Wechsel in stöchiometrische oder fette Atmosphäre, erfolgen.

Weiterhin bilden sich bei der Verbrennung schwefelhaltiger Kraftstoffe Schwefeloxide SO_x, die ebenfalls in dem NO_x-Speicherkatalysator 18 eingelagert werden. Zur Reversion sind allerdings wesentlich höhere Temperaturen als bei der NO_x-Regeneration notwendig, so daß häufig zusätzliche Heizmaßnahmen ergriffen werden müssen. Prinzipiell ist es jedoch auch bei einer SO_x-Regeneration notwendig, einen Reduktionsmittel-Massenstrom zu erhöhen.

Eine Regeneration (NO_x- und/oder SO_x-Regeneration) kann wie folgt durchgeführt werden:
Mit vorliegender Regenerationsnotwendigkeit wird Lambda zunächst auf einen vorgegebenen, gerade noch mageren Ausgangswert W_m gesenkt. Dazu erfolgt in einer Startphase t_s beispielsweise eine Androsselung und/oder Ladedrucksenkung eines Laders und/oder Anpassung einer EGR-Rate (siehe Fig. 2). Diese Maßnahmen können gegebenenfalls noch in an sich bekannter Weise vor Erhöhung einer Abgastemperatur genutzt werden (Heizmaßnahme). Die Heizmaßnahme kann damit insbesondere während der SO_x-Regeneration aufrechterhalten werden.

Der Ausgangswert W_m kann in Abhängigkeit von einem Beladungsgrad des NO_x-Speicherkatalysators 18, dem aktuellen Lambdawert, einer Katalysatortemperatur oder einem Betriebszustand des Motors 10 festgelegt werden und gegebenenfalls während der Regeneration laufend neu bestimmt werden. Solange der Lambdawert auf dem Ausgangswert W_m verharrt, ist noch keine oder nur eine stark eingeschränkte Regeneration möglich.

Um eine Bildung von geruchsbelästigenden Produkten, wie H₂S und NH₃, zu unterdrücken, wird während der Regeneration alternierend zwischen mageren und fetten Bedingungen gewechselt. Damit ergeben sich inaktive Phasen 50, bei denen Lambda dem Ausgangswert W_m entspricht, und aktive Phasen 52, bei denen Lambda einen vorgegebenen Wert W_f einnimmt. Zunächst erfolgt demnach eine Lambdaabsenkung Δλ_v in der Phase t_s durch vorgenannte Maßnahmen auf den Ausgangswert W_m, und anschließend wird eine Lambdaabsenkung Δλ_ne durch Nacheinspritzung mit dem Einspritzsystem 34 auf den Lambdawert W_f erzwungen.

Die Nacheinspritzung kann im Bereich des Dieselmotors 10 und/oder direkt in dem Abgaskanal 14 erfolgen. Eine Einspritzmenge der Nacheinspritzung kann in Abhängigkeit vom Beladungswert, dem aktuellen Lambdawert, der Katalysatortemperatur oder dem Betriebszustand des Motors 10 festgelegt werden und kann insbesondere mit zunehmender Regenerationsdauer verkleinert werden. Weiterhin kann in gleicher Weise eine Dauer t_a beziehungsweise t_n der aktiven und/oder inaktiven Phasen 50, 52 bestimmt werden. Auch hier kann mit zunehmender Regenerationsdauer eine Verkürzung der Phasen 50, 52 erfolgen.

Nachdem in bekannter Weise ein Regenerationsende detektiert wurde, werden die zur Einstellung des Ausgangswertes W_m eingeleiteten Maßnahmen wieder unterbunden, und es stellt sich in einer Phase t_e wieder ein für den Normalbetrieb des Dieselmotors 10 vorgegebener magerer Lambdawert ein.

Claims

1. Verfahren zur NO_x- und/oder SO_x-Regeneration eines NO_x-Speicherkatalysators, der in einer Abgasanlage eines Dieselmotors angeordnet ist und der zur Regeneration mit einem erhöhten Reduktionsmittel-Massenstrom am Abgas beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhung des Reduktionsmittel-Massenstromes ganz oder in Teilen durch eine Nacheinspritzung von Kraftstoff in den Dieselmotor (10) und/oder in die Abgasanlage (12) erreicht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nacheinspritzung während der Regeneration alternierend aktiviert und deaktiviert wird (aktive und inaktive Phasen (50, 52)).

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dauer (t_a, t_n) der aktiven und/oder inaktiven Phasen (50, 52) in Abhängigkeit von einem Beladungsgrad mit Schwefel, einem aktuellen Lambdawert, einer Katalysatortemperatur oder einem Betriebszustand des Motors (10) bestimmt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dauer (t_a, t_n) der aktiven und/oder inaktiven Phasen (50, 52) mit zunehmender Regenerationsdauer verkürzt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einspritzmenge der Nacheinspritzung in Abhängigkeit vom Beladungsgrad mit Schwefel, dem aktuellen Lambdawert, der Katalysatortemperatur oder einem Betriebszustand des Motors (10) bestimmt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzmenge mit zunehmender Regenerationsdauer verkleinert wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit Beginn der Regeneration zunächst in einer Startphase (t_s) der Lambdawert durch Androsselung und/oder Ladedrucksenkung und/oder Anpassung einer EGR-Rate auf einen vorgegeben, gerade noch mageren Ausgangswert (W_m), insbesondere im Bereich von λ = 1,001 bis 1,5 eingestellt wird und anschließend die Nacheinspritzung initiiert wird, die zur Einstellung eines Lambdawertes (W_f) führt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangswert (W_m) in Abhängigkeit vom Beladungsgrad mit Schwefel, dem aktuellen Lambdawert, der Katalysatortemperatur oder einem Betriebszustand des Motors (10) bestimmt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangswert (W_m) während der Regeneration laufend neu bestimmt wird.

10. Vorrichtung zur NO_x- und/oder SO_x-Regeneration eines NO_x-Speicherkatalysators, der in einer Abgasanlage eines Dieselmotors angeordnet ist und der zur Regeneration mit einem erhöhten Reduktionsmittel-Massenstrom am Abgas beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, mit denen die Erhöhung des Reduktionsmittel-Massenstroms ganz oder in Teilen durch eine Nacheinspritzung von Kraftstoff in den Dieselmotor (10) und/oder in die Abgasanlage (12) erreicht wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel ein Einspritzsystem (34) des Dieselmotors (10) umfassen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspritzsystem (34) zur Kraftstoffeinspritzung in die Abgasanlage (12) einsetzbar ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel ein zusätzliches Einspritzsystem für die Abgasanlage (12) umfassen.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel ein Steuergerät (42) umfassen, in dem eine Prozedur zur Regelung der Regeneration hinterlegt ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (42) in ein Motorsteuergerät (30) integriert ist.