DE602004003456T2

DE602004003456T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Entschwefelung eines NOx-Speichers und Regeneration eines Partikelfilers

Info

Publication number: DE602004003456T2
Application number: DE602004003456T
Authority: DE
Inventors: Remi Noirot; Michel Castagne; Jean-Baptiste Dementhon
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN; Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN; PSA Automobiles SA
Priority date: 2003-11-24
Filing date: 2004-11-12
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2024-11-13
Also published as: ES2277223T3; US7918082B2; JP4531533B2; ATE347026T1; FR2862708A1; EP1533490B1; EP1533490A1; JP2005155629A; DE602004003456D1; US20050109021A1; FR2862708B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entschwefelung eines Katalysators, in dem Stickoxide gelagert sind, Stickstoff-Speicherkat genannt, der einem regenerierbaren Partikelfilter zugeordnet ist.
Der Stickoxid-Speicherkat wird im Allgemeinen in einer Abgasleitung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Diesel-Motors, verwendet.
Die Entschwefelung eines solchen Kats ist eine notwendige Handlung, um seine Umwandlungsaktivität der Stickoxide dauerhaft aufrecht zu erhalten, im Wesentlichen auf Grund seiner fortschreitenden Vergiftung durch den im Treibstoff enthaltenen Schwefel, der von den Abgasen, die ihn durchströmen, mitgenommen wird. Dieses Phänomen findet unabhängig vom Schwefelgehalt des Treibstoffes aus für Schwefelgehaltswerte unter 10 ppm statt.
Um die Entschwefelungsverfahren durchzuführen, ist es erforderlich, den Kat auf eine Temperatur über einer vorbestimmten Temperatur (im Allgemeinen über 600 °C) ungefähr 10 Minuten lang zu erhitzen, im Allgemeinen dank einer Erhöhung der Temperatur der Abgase, und eine global diese Gase reduzierende Zusammensetzung zu erhalten, um die Umwandlung des in dem Kat angesammelten Schwefels zu ermöglichen und auf diese Weise seine Umwandlungsaktivität wiederherzustellen.
Diese Abgasleitung kann auch einen Partikelfilter umfassen, dessen Rolle darin besteht, die in den Abgasen vorhandenen Partikel zurückzuhalten und so zu verhindern, dass sie in die Atmosphäre abgegeben werden.
Dieser Filter muss auch regelmäßig regeneriert werden, damit er alle seine Filterfähigkeiten behält. Die Regenerationsverfahren bestehen darin, die Temperatur des Filters auf ungefähr 450 °C zu erhöhen, wobei im Allgemeinen der Kehrwert von Lambda der Abgase, die ihn durchströmen, erhöht wird, ohne dass er den Kehrwert von Lambda 1 erreicht, und eine oxydierende Zusammensetzung dieser selben Gase zu erhalten, um die Verbrennung der in diesem Filter zurückgehaltenen Partikel durchzuführen.
Es ist bereits aus dem Dokument FR 2 825 412 ein Verfahren zur Entschwefelung eines Stickoxid-Speicherkats und zur Regenerierung eines Partikelfilters bekannt.
In diesem Dokument umfasst ein Verbrennungsmotor ein Abgasreinigungssystem mit einem Stickoxid-Speicherkat, der stromaufwärts zu einem Partikelfilter angeordnet ist. Mit dem beschriebenen Verfahren wird der Verschmutzungsstand des Partikelfilters oder Verblockungsgrad ständig überwacht, und die Verfahren zur Regeneration dieses Partikelfilters werden gestartet, sobald sein Verblockungsgrad eine gewisse Schwelle überschreitet. Während dieser Regenerationsverfahren wird der Schwefelsättigungsstand des Kats oder Sättigungsgrad untersucht, und wenn dieser Grad einen vorbestimmten Wert erreicht hat, werden die Verfahren zur Entschwefelung des Stickoxid-Speicherkats am Ende der Regenerationsverfahren gestartet. Im umgekehrten Fall werden nur die Verfahren zur Regeneration des Filters durchgeführt, und der Kat sammelt weiter den in den Abgasen enthaltenen Schwefel.
Diese Verfahren der Entschwefelung und Regenerierung haben dennoch erhebliche Nachteile.
Insbesondere kann sich die Wirksamkeit des Partikelfilters lokal und dauerhaft auf Grund der übermäßigen Temperatur während der Regeneration verschlechtern, was zu einer Verschlechterung der Materialien des Filters führt, einem Phänomen, das vor allem im Mittelteil dieses letztgenannten auftritt. Umgekehrt kann der äußere Teil des Filters unter einer unzureichenden Temperaturerhöhung auf Grund seiner Nähe der Wände und des nicht homogenen Charakters des Gasflusses durch den Filter leiden und nicht völlig von den während der Regeneration angesammelten Partikeln gereinigt werden.
Überdies konnte festgestellt werden, dass der Stickoxid-Speicherkat am Ende einer gewissen Anzahl von Entschwefelungsvorgängen an Wirksamkeit verliert. Der innere Teil der Körner der Speichermaterialien, aus denen der Kat besteht, ist nämlich für die Abgase bei den Entschwefelungsvorgängen schwer zugänglich, und es bilden sich Sulfate mit sehr stabiler kristalliner Struktur bei hoher Temperatur von ungefähr 900 °C und beeinträchtigen endgültig die Umwandlungsaktivität dieser Körner. Um eine minimal erforderliche Umwandlungswirksamkeit aufrecht zu erhalten und die Ziele der Beständigkeit des Entschmutzungssystems, wie durch die Verordnungen verlangt, einzuhalten, ist es notwendig, die Häufigkeit der Entschwefelungsvorgänge in dem Maße zu erhöhen, als das Fahrzeug Kilometer zurücklegt. Diese Häufigkeit erhöht sich noch, wenn das Fahrzeug oft mit schwerer Ladung fährt. Eine solche Fahrweise ist mit einem hohen Treibstoffverbrauch verbunden, der zu einer Erhöhung der Schwefelansammlung im Kat führt. Diese Erhöhung führt zu einer Erhöhung der Häufigkeit der Entschwefelungsvorgänge, was zu einem nicht zu unterschätzenden höheren Treibstoffverbrauch auf Grund der Tatsache führt, dass diese Vorgänge einen Kehrwert von Lambda der Abgase größer als 1, von ungefähr 1,1, und eine Temperatur dieser Gase von mehr als 600 °C erfordern. Ferner führt der Übergang zu einem solchen Kehrwert von Lambda und dieser hohen Temperatur zu einer starken Beeinträchtigung der Verbrennung im Motor, da es notwendig ist, Ventile für die Luft am Einlass vorzusehen und die in die Brennkammer des Motors eingespritzte Treibstoffmenge zu erhöhen.
Ein weiterer Nachteil der Entschwefelung ist die Emission von schwefelhaltigen Verbindungen, insbesondere H₂S, wäh rend der Dauer der Entschwefelungsvorgänge. Diese Emission von H₂S ist übel riechend und kann bei starker Konzentration für die Gesundheit der Menschen gefährlich sein.
Es konnte auch festgestellt werden, dass ein Hauptnachteil des in dem vorgenannten Dokument beschriebenen Verfahrens darin besteht, dass der Stickoxid-Speichekat gesättigt sein kann, lange bevor die Verfahren zur Regeneration des Partikelfilters gestartet werden. Aus diesem Grund kann der Kat seine Funktion nicht mehr erfüllen, und die in den Abgasen enthaltenen schwefelhaltigen Verbindungen werden an die Außenluft abgegeben, ohne behandelt worden zu sein.
Die vorliegende Erfindung soll die vorgenannten Nachteile mit Hilfe eines Verfahrens zur Entschwefelung eines Stickoxid-Speicherkats und zur Regenerierung eines Partikelfilters vermeiden, das zu keiner Erhöhung des Treibstoffverbrauchs führt und es ermöglicht, die Wirksamkeit des Stickoxid-Speicherkats auf einem sehr hohen Niveau während der gesamten Lebensdauer des Fahrzeugs zu bewahren.
Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Entschwefelung eines Stickoxid-Speicherkats und zur Regenerierung eines Partikelfilters, die in einer Abgasleitung angebracht sind, um die Abgase eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors zu behandeln, dadurch gekennzeichnet, dass:

– der Sättigungsgrad des Stickoxid-Speicherkats und Verblockungsgrad des Filters bewertet werden,
– ab dem Moment, zu dem einer der Grade einen Schwellenwert erreicht, die Abgase angefettet werden, ohne dass sie einen Wert von 1 für den Kehrwert von Lambda erreichen, um die Regenerierung des Partikelfilters zu starten, und dann die Entschwefelung des Stickoxid-Speicherkats durchgeführt wird, wobei der Kehrwert von Lambda auf einen Wert von mehr als 1 erhöht wird.

Vorzugsweise kann die Regenerierung des Partikelfilters am Ende der Entschwefelung des Stickoxid-Speicherkats durchgeführt werden.
Während der Entschwefelung des Speicherkats kann zwischen Perioden mit magerem und fettem Gemisch der Abgase gewechselt werden.
Es kann eine Erhöhung der Temperatur und eine Verringerung des Sauerstoffgehalts der Abgase erzielt werden, wobei die Gase durch ein katalytisches Element strömen.
Vor der Entschwefelung kann eine Erhöhung des Kehrwerts von Lambda der Abgase durchgeführt werden, ohne dass er den Wert 1 erreicht.
Es kann ein Aufheizen der Abgase durch ein elektrisches Element, das in der Abgasleitung angeordnet ist, durchgeführt werden.
Die Regenerierungstemperatur des Partikelfilters kann geregelt werden, wobei der Sauerstoffgehalt der Abgase kontrolliert wird.
Der Sauerstoffgehalt der Abgase kann durch Wechsel von Perioden mit einem Kehrwert von Lambda unter 1 und einem Kehrwert von Lambda über 1 kontrolliert werden.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Entschwefelung eines Stickoxid-Speicherkats und zur Regenerierung eines Partikelfilters, die in einer Abgasleitung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, angeordnet sind, die mindestens eine Steuereinheit umfasst, die den Sättigungsgrad des Speicherkats und den Verblockungsgrad des Filters auswertet, dadurch gekennzeichnet, dass sie Steuermittel umfasst, um jede Entschwefelung des Spei cherkats gemeinsam mit jeder Regeneration des Partikelfilters durchzuführen, sobald einer der Grade seinen Schwellenwert erreicht hat, und um die Abgase anzufetten, ohne dass der Kehrwert von Lambda 1 erreicht, um die Regenerierung des Filters zu starten, bevor der Kehrwert von Lambda über 1 erhöht wird, um die Entschwefelung des Kats sicherzustellen.
Die Steuermittel können Mittel zur Kontrolle der Verbrennung umfassen, um ein fettes oder mageres Gemisch der Abgase zu erzielen.
Sie kann ein Katalysatorelement umfassen, das vor dem Kat angeordnet ist, um eine Erhöhung der Temperatur und eine Verringerung des Sauerstoffgehalts der Abgase zu erzielen.
Sie kann ein elektrisches Element umfassen, um die Abgase aufzuheizen.
Sie kann Mittel zur Regelung der Temperatur des Partikelfilters umfassen.
Die Mittel zur Regulierung können Mittel zum Verändern des Kehrwerts von Lambda des Abgasgemisches um einen Lambda-Wert gleich 1 umfassen.
Die weiteren Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen besser aus der Studie der nachfolgenden Beschreibung hervor, die nur darstellenden und keineswegs einschränkenden Charakter hat und sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht, wobei:
1 schematisch einen Verbrennungsmotor mit einem System zur Behandlung der Abgase zeigt;
2 eine Grafik ist, die die Entwicklung des Kehrwerts von Lambda der Abgase (R) in Abhängigkeit von der Zeit (t) während der Sequenzen der Regenera tion/Entschwefelung bei einer ersten Betriebsart zeigt, und
3 eine weitere Grafik ist, die die Entwicklung des Kehrwerts von Lambda der Abgase (R) in Abhängigkeit von der Zeit (t) während der Sequenzen der Regeneration/Entschwefelung bei einer zweiten Betriebsart zeigt.
Unter Bezugnahme auf 1 umfasst die Vorrichtung einen Verbrennungsmotor 10, insbesondere einen Dieselmotor, mit mindestens einem Zylinder 12, umfassend eine Brennkammer 14, eine Treibstoffzuführung 16 für die Brennkammern, Lufteinlasselemente (nicht dargestellt) und Mittel zum Ableiten der verbrannten Gase 18. Die Abgasmittel dieses Motors sind an eine Abgasleitung 20 angeschlossen, umfassend ein einer Reihe ausgehend von den Abgasmitteln einen Katalysator 22, auf dem sich die Stickoxide sammeln, Stickoxid-Speicherkat genannt, der stromaufwärts zu einem Partikelfilter 24 angeordnet ist. Vorzugsweise kann eine Aufladevorrichtung 26, wie beispielsweise ein Turbokompressor, zwischen den Abgasmitteln des Motors und dem Stickoxid-Speicherkat angeordnet sein. Ebenso kann vorgesehen sein, einen Oxydationskatalysator 28 stromaufwärts zum Stickoxid-Speicherkat und stromabwärts zum Turbokompressor 26 anzuordnen.
Die Abgasleitung 20 umfasst vorzugsweise einen Temperaturfühler 30 für die Abgase, stromaufwärtiger Fühler genannt, der zwischen dem Stickoxid-Speicherkat und dem Partikelfilter 24 angeordnet ist, und vorzugsweise einen weiteren Temperaturfühler für die Abgase, stromabwärtiger Fühler 32 genannt, der am Ausgang des Partikelfilters angeordnet ist. Vorzugsweise ist eine Proportionalsonde 34 für den Kehrwert von Lambda stromaufwärts zum Stickoxid-Speicherkat vorgesehen, die dazu dient, den Wert des Kehrwerts von Lambda der Abgase am Eingang des Stickoxid-Speicherkats zu messen. Ein Druckfühler 36 für die Abgase ist stromaufwärts zum Parti kelfilter und stromabwärts zum Stickoxid-Speicherkat oder stromaufwärts zum Stickoxid-Speicherkat (durch das Bezugszeichen 36' punktiert in der Figur dargestellt) angeordnet, und ein weiterer Druckfühler für die Gase 38 ist stromabwärts zum Partikelfilter angeordnet. Diese Druckfühler dienen dazu, den Druckunterschied der Abgase zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Partikelfilters 24 oder zwischen dem Eingang des Stickoxid-Speicherkats und dem Ausgang des Partikelfilters 24 zu messen. Es ist anzumerken, dass die Druckfühler durch einen einzigen Fühler ersetzt werden können, der den Druckunterschied stromaufwärts und stromabwärts zum Filter misst.
Die verschiedenen Fühler und die Sonde sind durch Leitungen 40 mit einer Kontrolleinheit 42 verbunden. Diese Einheit ist auch mit dem Motor über eine bidirektionale Leitung 44 verbunden, um jederzeit die Informationen in Verbindung mit dem Betrieb des Motors, beispielsweise die Motordrehzahl; zu erhalten. Die Einheit 42 überträgt auch über die Leitung 44 nach Bearbeitung der von den Fühlern und der Sonde erhaltenen Signale Befehle an die verschiedenen Elemente des Motors, die es ermöglichen, den Lauf des Motors zu beeinflusse, wie die Treibstoffeinspritzung 16 und/oder die Luftzufuhr in die Zylinder 12.
Diese Kontrolleinheit umfasst Modelle, die es ihr ermöglichen, jederzeit den Sättigungsgrad des Stickoxid-Speicherkats in Abhängigkeit von gewissen Parametern, wie beispielsweise der Zusammensetzung des Treibstoffes und der Betriebsdauer des Motors, und den Verblockungsgrad des Filters in Abhängigkeit vom Drucklastverlust in diesem Filter zu bewerten. Ferner umfasst die Einheit Datentabellen, die Schwellenwerte des Verblockungsgrades und des Sättigungsgrades enthalten, auf deren Basis die Verfahren der Entschwefelung und der Regeneration durchzuführen sind.
Alternativ zu dem Modell, das den Sättigungsgrad bewertet, kann eine Stickoxidsonde 46 (punktiert dargestellt) vorgesehen sein, die stromabwärts zum Speicherkat 22 angeordnet und über eine Leitung 40 mit der Kontrolleinheit 42 verbunden ist. Diese Sonde ermöglicht es, jederzeit die Stickoxidrate, die in den aus diesem Kat austretenden Abgasen vorhanden ist, zu erfahren. Ebenso kann vorgesehen sein, den Verblockungsgrad des Filters mit einem Partikelfühler (nicht dargestellt) zu bewerten, der stromaufwärts oder stromabwärts zu diesem Filter angeordnet und auch über eine Leitung 40 mit der Einheit 42 verbunden ist.
Während des Betriebs des Motors berechnet die Einheit 42 den Drucklastverlust der Abgase zwischen stromaufwärts zum Kat und stromabwärts zum Partikelfilter 24 mit Hilfe der stromaufwärtigen 36 und stromabwärtigen Fühler 38, oder zwischen stromaufwärts zum Stickoxid-Speicherkat 22 und stromabwärts zum Partikelfilter 24 mit Hilfe der stromaufwärtigen 36' und stromabwärtigen Fühler 38, um den Zustand der Partikellast im Partikelfilter 24 zu bewerten. Auf Basis dieser Information bewertet sie den Verblockungsgrad des Filters mit Hilfe des in der Einheit 42 gespeicherten Modells. Gleichzeitig bewertet diese Einheit den Sättigungsgrad des Stickoxid-Speicherkats entweder mit Hilfe des Modells, das sie enthält, oder mit der Stickoxid-Sonde 46.
Sobald mindestens einer der Grade, d.h. der Verblockungsgrad des Filters oder der Sättigungsgrad des Kats, einen Schwellenwert, der in den Datentabellen der Einheit enthalten ist, erreicht hat, werden Verfahren zur Entschwefelung des Kats in Verbindung mit Verfahren zur Regeneration des Filters durchgeführt, und zwar auch, wenn der andere der Grade seinen Schwellenwert nicht erreicht hat.
Wenn zum Beispiel der Sättigungsgrad des Stickoxid-Speicherkats erreicht ist, erfolgen die Verfahren zur Entschwefelung dieses Kats in Verbindung mit den Verfahren zur Regeneration des Partikelfilters, und zwar auch, wenn der Verblockungsgrad des Filters seinen Schwellenwert nicht erreicht hat. Dank dessen wird nicht nur der Kat entschwefelt, sondern auch der Filter wird regeneriert, bevor er seinen Verblockungsgrad erreicht. Dies ermöglicht es, die nächste Regenerationsperiode zeitlich zu verschieben und den Lastverlust der Abgase, die den Filter durchströmen, zu minimieren, ein Lastverlust, der für den richtigen Betrieb des Motors schädlich ist. Umgekehrt, wenn der Schwellenwert vom Verblockungsgrad des Filters erreicht ist, erfolgt diese Verbindung von Verfahren zur Entschwefelung und Regeneration auch, wenn der Stickoxid-Speicherkat seinen Sättigungsgrad nicht erreicht hat. In diesem Fall wird der äußere Teil der Körner des Stickoxid-Speichermaterials regeneriert, bevor das Stickoxid in das Innere der Körner diffundiert, wodurch es möglich ist, die Periodizitäten der Entschwefelung weiter zu verlängern und die Katalysefunktion dieses Kats ohne progressiven Aktivitätsverlust dauerhaft aufrecht zu erhalten.
So erfolgen unabhängig von der Natur des Grades, der seinen Schwellenwert erreicht (Verblockungsgrad oder Sättigungsgrad) Verfahren zur Entschwefelung des Stickoxid-Speicherkats gemeinsam mit Verfahren zur Regeneration des Partikelfilters.
Bei einer ersten Ausführungsart, wie in 2 als Beispiel dargestellt, ist das Abgasgemisch, d.h. der Kehrwert von Lambda, mager (beispielsweise von ungefähr 0,3) vor dem Zeitpunkt t1 und entspricht dem Normalbetrieb des Motors. Zum Zeitpunkt t1, zu dem der Filter und/oder der Kat einen Verblockungsgrad und/oder Sättigungsgrad erreicht hat, der seinem Schwellenwert entspricht, wird der Kehrwert von Lambda der gase erhöht, wobei er unter 1 bleibt, im Allgemeinen bei 0,8 bis 0,9, um die Temperatur dieser Abgase bis auf ungefähr 450 °C zu erhöhen, und zwar zum Zeitpunkt t2. Diese Erhöhung des Kehrwerts von Lambda wird zum Zeitpunkt t2 durch eine zweite Erhöhung des Kehrwerts von Lambda vervollständigt, um ein fettes Gemisch, üblicherweise einen Kehrwert von Lambda von ungefähr 1,1, zu erhalten, um Abgase mit einer Temperatur von ungefähr 600 °C mit einer reduzierenden Zusammensetzung zu erhalten. Dieser Kehrwert von Lambda wird auf diesem Niveau bis zum Zeitpunkt t3 gehalten, um die völlige Entschwefelung des Stickoxid-Speicherkats zu sichern. Zum Zeitpunkt t3, der im Wesentlichen dem Ende der Entschwefelungsvorgänge entspricht, wird der Kehrwert von Lambda der Gase verringert, um einen mageren Kehrwert von Lambda mit einem Wert, der im Wesentlichen mit jenem gleichwertig ist, den er vor dem Zeitpunkt t1 hatte.
Die verschiedenen Kehrwerte von Lambda und Temperaturen der Gase werden ständig von der Einheit 42 mit Hilfe der Temperaturfühler 30 und 32 sowie der Sonde 34 kontrolliert. Falls erforderlich, kann diese Einheit Steuerbefehle über die Leitung 44 an die verschiedenen Elemente des Motors senden, um die Werte der Kehrwerte von Lambda und die Temperaturen an die erforderlichen anzupassen.
Um die erste Änderung des Kehrwerts von Lambda zum Zeitpunkt t1 durchzuführen, sendet die Einheit 42 Befehle an gewisse Elemente des Motors 10, um diesen Kehrwert von Lambda zu erhöhen, ohne dass er den Wert 1 erreicht (ungefähr 0,8 bis 0,9), um es den Abgasen zu ermöglichen, eine oxydierende Zusammensetzung zu haben.
Als Beispiel kann vorgesehen werden, eine Treibstoffnacheinspritzung in die Brennkammern der Zylinder 14 mit Hilfe der Treibstoffversorgungsmittel 16 durchzuführen.
Diese Erhöhung des Kehrwerts ermöglicht es, die Temperatur der Abgase zu erhöhen, damit sie eine Temperatur nahe 450 °C erreichen, um die Regeneration des Partikelfilters einzuleiten. Nach einigen Dutzend Sekunden wird zum Zeit punkt t2 der Kehrwert von Lambda der Gase weiter erhöht, beispielsweise durch eine weitere Nacheinspritzung in die Brennkammern 14, um den Wert 1 bis auf ungefähr 1,1 zu überschreiten. Diese zweite Erhöhung des Kehrwerts von Lambda ermöglicht es, die Temperatur der Abgase bis auf ungefähr 600 °C zu erhöhen. Dieser Kehrwert von Lambda wird einige Minuten aufrechterhalten, im Allgemeinen zwischen 10 und 15 min, um zum Zeitpunkt t3 zu enden. Zu diesem Zeitpunkt t3 erfolgt die Entschwefelung des Kats 22, und die Temperatur der Abgase, die aus diesem Kat austreten, ist ausreichend, um die Vorgänge der Regeneration des Filters durch Verbrennen der Russpartikel, die in diesem Filter vorhanden sind, abzuschließen. Ferner sind auf Grund der Abgase mit hohen, für die Entschwefelung erzeugten Temperaturen, die durch diesen Filter strömen, diese Partikel zum Großteil frei von ihren Verunreinigungen, SOF genannt, wie Wasser oder absorbierten Kohlenwasserstoffen, und die Gesamtheit des Filters, inklusive der Elemente nahe der Wände, hat eine für die Regeneration geeignete Temperatur erreicht. Dies beschleunigt die Regeneration des Filters umso mehr im Vergleich mit einer üblichen Regeneration und ermöglicht es zu garantieren, dass sie vollständig auf dem gesamten Filter erfolgt.
Dank dessen kommt es zu keinen plötzlichen Temperaturanstiegen, die von der Motorkontrolle gesteuert werden, um eine spezifische Entschwefelung sicherzustellen, und der überhöhte Treibstoffverbrauch wird verringert. Ferner wird die Bildung von Sulfaten mit stabiler kristalliner Struktur minimiert, da die Entschwefelung des Kats stattfindet, auch wenn die Schwefelmenge minimal ist und die Wirksamkeit des Stickoxid-Speicherkats auf einem im Wesentlichen konstanten Wert bleibt. Dies ermöglicht es auch, das Niveau der Konzentration der Emissionen an H₂S am Auspuff zu begrenzen, da die Gesamtspeicherung des Schwefels in diesem Kat im Allgemeinen geringer als 2 g/Liter Kat ist.
Auf vorteilhafte Weise und unter Bezugnahme auf 1 kann vorgesehen sein, den Oxydationskatalysator 28 zu verwenden, um die für die Entschwefelungsvorgänge des Kats 22 schädliche Sauerstoffkonzentration zu verringern und zur Erhöhung der Temperatur der Abgase beizutragen.
Bei der ersten Treibstoffnacheinspritzung, um den Start der Regenerierung des Filters 24 zu sichern, werden nämlich große Mengen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO) am Auspuff ausgestoßen. Die katalytische Umwandlung dieser HC und CO am Katalysator 28 trägt dazu bei, den in den aus den Brennkammern des Motors kommenden Abgasen vorhandenen Sauerstoff zu verbrauche. So erfolgt die Verringerung der Sauerstoffkonzentration einfacher, ohne den Kehrwert von Lambda des Gemisches und folglich den Treibstoffverbrauch erhöhen zu müssen, und die Auswirkung auf die Veränderung des Motormoments wird für den Fahrer des Fahrzeugs weniger spürbar.
Natürlich kann, ohne über den Rahmen der Erfindung hinauszugehen, vorgesehen werden, die Erhitzung der Abgase durch alle bekannten Mittel durchzuführen. Insbesondere kann ein elektrisches Heizelement für die Abgase stromaufwärts zu dem Stickoxid-Speicherkat positioniert werden.
Während der Regenerationsvorgänge kann der Partikelfilter sehr hohe Temperaturen (von ungefähr 750 °C) erreichen, und er kann schwer beschädigt oder sogar zerstört werden.
Eine Kontrolle der inneren Thermik des Partikelfilters bei seiner Regeneration ist somit erforderlich, damit er seine funktionelle Integrität beibehält.
Dazu wird die Temperatur des Partikelfilters unter einen Grenzwert mit Hilfe einer Kontrolle der Verbrennung des im Filter vorhandenen Rußes eingestellt. In der Praxis erfolgt dies durch Kontrolle des Sauerstoffgehalts der Abgase, die durch diesen Filter strömen. Die Verringerung des Sauerstoffgehalts der Abgase während einiger Sekunden ermöglicht es nämlich, die Oxydationsreaktion des Rußes zu stoppen, bevor die Temperatur des Filters den Temperaturgrenzwert überschreitet. Diese Verringerung des Sauerstoffgehalts erfolgt mit einem Kehrwert von Lambda der Abgase über 1 während der Perioden t4–t5, t6–t7. Der Übergang zu einem mageren Kehrwert von Lambda mit einem Wert unter 1 während der Perioden t5–t6 mit einer im Wesentlichen gleichen Dauer wie die Perioden mit einem Kehrwert von Lambda über 1 ermöglicht es, die Verbrennung des im Filter vorhandenen Rußes wieder mit Sauerstoff zu versorgen und den Filter mit einem ausreichenden Temperaturniveau zu regenerieren, ohne dass der Schwellenwert überschritten wird.
Während des Betriebs des Motors und insbesondere am Ende der Entschwefelungsvorgänge und während der Vorgänge zur Regeneration des Partikelfilters 24 sendet somit der Temperaturfühler 32, der stromabwärts zu diesem Filter angeordnet ist, ein Signal, das für die Temperatur der Abgase repräsentativ ist, an die Kontrolleinheit 42. Wenn diese Temperatur nahe einem. Grenzwert ist oder diesen erreicht, sendet diese Einheit Steuersignale über die Leitung 44 an die verschiedenen Elemente des Motors, die es ermöglichen, den Lauf dieses Motors zu beeinflussen, wie die Treibstoffeinspritzung 16 oder der Lufteinlass, um den Sauerstoffgehalt der Abgase zu verändern. Wie in 2 dargestellt, besteht diese Änderung beispielsweise ab dem Zeitpunkt t3 darin, den Kehrwert von Lambda der Abgas um 1 während der Perioden t3–t4, t4–t5, t5–t6, t6–t7 anzuordnen, um den Sauerstoffgehalt der Abgase, die in den Filter eindringen, zu regulieren. Dieser Wechsel von magerem Kehrwert von Lambda (bei ungefähr 0,3) und fettem Kehrwert von Lambda (bei ungefähr 1,1) kann dank des Sendens von Steuerbefehlen über die Einheit 42 an das Mittel zur Treibstoffversorgung 16, um eine Treibstoffnacheinspritzung in die Brennkammern 14 zu einem gewünschten Zeitpunkt vorzunehmen, und/oder an die Einlassmittel erfolgen, um die in diese Brennkammern eingeleitete Luftmenge zu begrenzen.
Es wird nun auf 3 Bezug genommen, die eine weitere Ausführungsart der Erfindung zeigt.
Diese Art unterscheidet sich von der in Verbindung mit 2 beschriebenen nur durch einen Wechsel von Entschwefelungs- und Regenerationsvorgängen zwischen den Zeitpunkten t2 und t3, beispielsweise ungefähr alle 15 Sekunden.
Dieser Wechsel hätte zur Folge, dass die Dauer der Entschwefelungsvorgänge verlängert würde, aber es ist vorgesehen, diese Dauer dadurch zu verringern, dass ausgehend vom letzten Wechsel (zum Zeitpunkt t2 vor dem Zeitpunkt t3') der Kehrwert von Lambda auf ungefähr 1,1 bis zum Zeitpunkt t3' aufrecht erhalten wird, so dass die Gesamtheit des in dem Kat enthaltenen Schwefel beseitigt wird.
Dies ermöglicht es, im für die Entschwefelung erforderlichen Zeitintervall den Start der Regenerierung des Filters, die zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 erfolgt, aufrechtzuerhalten. Dank dessen wird die Verbrennung der Partikel im Filter progressiv während der Periode t2–t2 fortgesetzt, wodurch verhindert wird, dass ein zu hohes Exotherm bei der Fortsetzung der Regeneration des Filters zum Zeitpunkt t3' vorhanden ist, und wodurch es möglich wird, die für die Regeration dieses Filters erforderliche Zeit zu verkürzen. Ferner ermöglicht es dieser Wechsel, das Emissionsniveau an H₂S bei den Verfahren der Entschwefelung zu begrenzen, so dass es ungefähr 300 ppm nicht überschreitet.
Um diesen Wechsel zu verwirklichen, wird zum Zeitpunkt t2 der Kehrwert von Lambda, wie vorher in Zusammenhang mit 2 beschrieben, auf ungefähr 1,1 erhöht. Dieser Kehrwert von Lambda wird bis zum Zeitpunkt t2₁ aufrechterhalten, dann auf einen Wert von ungefähr 0,8 bis 0,9, der bis zum Zeitpunkt t2₂ aufrechterhalten wird, verringert, dann bis zu einem Wert von 1,1 zum Zeitpunkt t2₃ erhöht. Dieser Wechsel wird bis zum Zeitpunkt t2_n weitergeführt, der von den Eigenschaften und Leistungen des Kats abhängt. Während der Periode t2–t2₁ haben die Abgase eine derartige Temperatur und Zusammensetzung, dass die Entschwefelungsvorgänge des Kats stattfinden. Zwischen den Zeitpunkten t2₁ und t2₂ enthalten die Abgase eine minimale Sauerstoffmenge, die aber ausreicht, um einen Teil der im Filter enthaltenen Partikel weiter zu verbrennen, und diese Gase sind reduzierend genug, dass die Entschwefelungsvorgänge weitergeführt werden. Diese Wechsel von Entschwefelungs- und Regenerationsvorgängen setzen sich bis zum Zeitpunkt t2_n fort. Ab diesem Zeitpunkt ist der Kehrwert von Lambda auf ungefähr 1,1 erhöht und wird bis zum Zeitpunkt t3' beibehalten, der dem Moment entspricht, zu dem die Gesamtheit des in dem Kat enthaltenen Schwefels beseitigt ist. Zum Zeitpunkt t3' wird der Kehrwert von Lambda verringert, um bei ungefähr 0,3 anzukommen, um die Vorgänge der Regeneration des Filters abzuschließen, wie vorher in Zusammenhang mit 2 beschrieben.
Natürlich kann, wie bereits in Verbindung mit dieser Figur beschrieben, vorgesehen sein, dass das Exotherm des Filters 24 reguliert wird, wobei der Kehrwert von Lambda der Abgase (punktiert in 1 dargestellt) zum Zeitpunkt t3' um 1 angesiedelt wird, um den Sauerstoffgehalt der den Filter durchströmenden Abgase zu kontrollieren.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern umfasst alle Äquivalente und Varianten.

Claims

Verfahren zur Entschwefelung eines Stickoxid-Speicherkats (22) und zur Regenerierung eines Partikelfilters (24), die in einer Abgasleitung (20) angebracht sind, um das Abgas eines Verbrennungsmotors (10), insbesondere eines Dieselmotors zu behandeln, dadurch gekennzeichnet dass: – der Sättigungsgrad des Stickoxid-Speicherkats und der Verblockungsgrad des Filters bewertet wird – ab dem Moment, wo einer der Grade einen Schwellenwert erreicht, die Abgase angefettet werden, ohne dass sie einen Wert von 1 für den Kehrwert von Lambda erreichen, um die Regenerierung des Partikelfilters (24) zu starten, und dann die Entschwefelung des Stickoxid-Speicherkats (22) durchgeführt wird, indem der Kehrwert von Lambda auf einen Wert von mehr als 1 erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regenerierung des Partikelfilters am Ende der Entschwefelung des Stickoxid-Speicherkats beendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während der Entschwefelung des Speicherkats zwischen Perioden mit magerem und fettem Gemisch der Abgase gewechselt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erhöhung der Temperatur und eine Verringerung des Sauerstoffgehalts der Abgase erzielt wird, indem die Gase ein katalytisches Element (28) passieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase durch ein elektrisches Element, das in der Abgasleitung angeordnet ist, aufgeheizt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regenerierungstemperatur des Partikelfilters geregelt wird, indem der Sauerstoffgehalt der Abgase gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffgehalt der Abgase durch Wechsel von Perioden mit einem Kehrwert von Lambda unter 1 und einem Kehrwert von Lambda über 1 gesteuert wird.
Vorrichtung zur Entschwefelung eines Stickoxid-Speicherkats (22) und zur Regenerierung eines Partikelfilters (24), die in einer Abgasleitung (20) eines Verbrennungsmotors (10), insbesondere eines Dieselmotors angeordnet sind, die mindestens eine Steuereinheit (42) umfasst, die den Sättigungsgrad des Speicherkats und den Verblockungsgrad des Filters auswertet, dadurch gekennzeichnet, dass sie Steuermittel (42, 16) umfasst, um jede Entschwefelung des Speicherkats gemeinsam mit jeder Regeneration des Partikelfilters durchzuführen, sobald einer der Grade seinen Schwellenwert erreicht hat, und um das Abgas anzufetten, ohne dass der Kehrwert von Lambda 1 erreicht, um die Regenerierung des Filters zu starten, bevor der Kehrwert von Lambda über 1 erhöht wird, um die Entschwefelung des Speicherkats sicherzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel Mittel zur Kontrolle der Verbrennung (18) umfassen, um ein fettes oder mageres Gemisch der Abgase erzielen.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Katalysatorelement (28) umfasst, das vor dem Speicherkat (22) angeordnet ist, um eine Erhöhung der Temperatur und eine Verringerung des Sauerstoffgehalts der Abgase zu erreichen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein elektrisches Element umfasst, um die Abgase aufzuheizen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel (16, 28) zur Regelung der Temperatur des Partikelfilters (24) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (16, 28) zur Regulierung Mittel zum Verändern des Kehrwertes von Lambda des Abgasgemisches umfassen, rund um einen idealen Lambda-Wert 1.