WO2000070201A1 - Verfahren zur entschwefelung von einem in einem abgaskanal einer verbrennungskraftmaschine angeordneten nox-speicherkatalysator - Google Patents

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  • the invention relates to a method for desulfurization of at least one NO x storage catalytic converter arranged in an exhaust gas duct of an internal combustion engine with the features mentioned in the preamble of claim 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entschwefelung von wenigstens einem in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten NOx-Speicherkatalysator, wobei zur Entschwefelung eine Mindestentsschwefelungstemperatur am NOx-Speicherkatalysator und ein Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine mit Lambda ≤ 1 eingestellt wird, sowie zur Erreichung dieses Arbeitsmodus und/oder der Mindesttemperatur eine zumindest temporäre Beeinflussung wenigstens eines Betriebsparameters der Verbrennungskraftmaschine erfolgt. Es ist vorgesehen, daß die Entschwefelung in Abhängigkeit eines aktuellen Lambdawertes und/oder eines Verhältnisses der NOx-Konzentration stromauf und stromab des NOx-Speicherkatalysators (16) in Abhängigkeit von einer im NOx-Speicherkatalysator eingelagerten NOx-Masse (Verschwefelungsgrad) und/oder einer aktuellen Temperatur des NOx-Speicherkatalysators (16) initiiert wird.

Description

VERFAHREN ZUR ENTSCHWEFELUNG VON EINEM IN EINEM ABGASKANAL EINER VERBRENNUNGSKRAFTMASCHINE ANGEORDNETEN NOX-SPEICHERKATALYSATOR
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entschwefelung von wenigstens einem in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten NOx-Speicherkatalysator mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.
Verfahren zur Entschwefelung von NOx-Speicherkatalysatoren sind bekannt. Dabei müssen während der Entschwefelung sogenannte Regenerationsparameter, wie eine Mindesttemperatur am NOx-Speicherkatalysator und ein Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine, mit λ < 1 eingestellt werden.
Unter einem Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine mit λ < 1 überwiegt im Abgas eine Konzentration reduzierender Gaskomponenten, wie CO, HC oder H2, eine Konzentration von Sauerstoff (fette Atmosphäre). Bei λ > 1 ist die Sauerstoffkonzentration dominierend (magere Atmosphäre). Während eines Betriebes der Verbrennungskraftmaschine in magerer Atmosphäre wird neben NOx, durch eine Verbrennung wechselnder Schwefelanteile im Kraftstoffgemisch, SO2 gebildet. Dieses wird ebenso wie das NOx in magerer Atmosphäre von dem NOx-Speicherkatalysator absorbiert, wobei die Sθ2-Absorption zur Bildung von lokalen Inhomogenitäten infolge einer Sulfatkornbildung führen kann. Dieser Prozeß führt zu einer Reduzierung einer katalytisch aktiven Oberfläche und einer Kapazität des NOx-Speicherkatalysators und bietet einen Angriffspunkt für korrosive Prozesse, die eine dauerhafte Schädigung des NOx-Speicherkatalysators nach sich ziehen können.
Es ist bekannt, einen Verschwefelungsgrad des NOx-Speicherkatalysators anhand einer Erfassung einer Effizienz hinsichtlich einer Reduktion von NOx (Konvertierungsreaktion) zu messen und die Entschwefelung nach Erreichen eines Schwellenwertes durch zumindest eine temporäre Beeinflussung eines Betriebsparameters der Verbrennungskraftmaschine (Maßnahme) zu initiieren. Diese Maßnahmen umfassen beispielsweise eine Spätzündung, eine Nacheinspritzung vor oder während eines Verbrennungsvorgangs oder eine zylinderselektive Vertrimmung der Verbrennungskraftmaschine und führen somit zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch. Häufig werden diese Maßnahmen ergriffen, um eine Abgastemperatur vor dem NOx- Speicherkatalysator zu erhöhen und nachfolgend die Mindesttemperatur an dem NOx- Speicherkatalysator zu erreichen. Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist es, daß die Entschwefelung lediglich anhand der Effizienz der Konvertierungsreaktion, also nach Erreichen des Schwellenwertes, initiiert wird und damit in der Praxis auftretende günstigere Betriebssituationen der Verbrennungskraftmaschine, bei denen der Schwellenwert noch nicht erreicht wird, aber die Temperatur des NOx-Speicherkatalysators schon nahe der Mindesttemperatur liegt, ungenutzt bleiben. Dies führt zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Entschwefelung des NO^ Speicherkatalysators wesentlich dynamischer zu gestalten, das heißt neben dem Verschwefelungsgrad des Katalysators auch die Regenerationsparameter zur Beurteilung einer Entschwefelungsnotwendigkeit mit einzubeziehen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zur Entschwefelung von wenigstens einem in dem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten NOx- Speicherkatalysator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, daß die Entschwefelung in Abhängigkeit eines aktuellen Lambdawertes und/oder eines Verhältnisses der NOx- Konzentration stromauf und stromab des NOx- Speicherkatalysators in Abhängigkeit von einer im NOx-Speicherkatalysator eingelagerten NOx-Masse (Verschwefelungsgrad) und/oder einer aktuellen Temperatur des NOx-Speicherkatalysators initiiert wird, kann die Entschwefelung wesentlich effizienter, das heißt kraftstoffsparender, durchgeführt werden. Weiterhin ist vorteilhaft, daß eine Größe der von der Entschwefelung gebildeten Sulfatkörner geringer gehalten werden kann, da die Entschwefelung insgesamt häufiger stattfindet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird zur Beurteilung der Entschwefelungsnotwendigkeit eine Kenngröße ermittelt, die aus dem Verschwefelungsgrad, dem Lambdawert und der NOx-Speicherkatalysatortemperatur gebildet wird. Die Kenngröße liegt in einem Kennfeld, das über ein Verhältnis einer Last zu einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine charakterisierbar ist. Dieses Kennfeld kann in einer beliebigen Anzahl von Bereichen gegliedert werden, in denen beispielsweise der Schwellenwert für die Entschwefelung mit steigender Temperatur herabgesetzt wird. Auf diese Weise kann sehr dynamisch auf gegebene Betriebssituationen hinsichtlich der Initialisierung der Entschwefelung reagiert 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:
Figur 1 eine Anordnung eines Katalysatorsystems in einem Abgaskanal einer
Verbrennungskraftmaschine und
Figur 2 ein Verhältnis einer Last zu einer Drehzahl einer
Verbrennungskraftmaschine.
In der Figur 1 ist in schematischer Weise eine Anordnung eines Katalysatorsystems 10 in einem Abgaskanal 12 einer Verbrennungskraftmaschine 14 dargestellt. Das Katalysatorsystem 10 umfaßt einen NOx-Speicherkatalysator 16 und einen Vorkatalysator 18 sowie geeignete Gassensoren 20 und Temperatursensoren 22. Ein Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine 14 kann mittels eines Motorsteuergerätes 24 geregelt werden. Wird beispielsweise ein Arbeitsmodus mit λ < 1 (fette Atmosphäre) gewünscht, so muß eine Sauerstoffkonzentration in einem Saugrohr 26 vor einer Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches gesenkt werden. Damit erhöhen sich die Anteile reduzierender Gaskomponenten im Abgas im Vergleich zu einem Anteil an Sauerstoff. Beispielsweise kann ein solcher Arbeitsmodus durch eine Reduzierung eines Volumenstroms angesaugter Luft mittels einer Drosselklappe 28 und durch gleichzeitige Zuführung sauerstoffarmen Abgases über ein Abgasrückflußventil 30 erfolgen.
In einem Arbeitsmodus mit λ > 1 (magere Atmosphäre) wird neben NOx auch SO2 im NOx-Speicherkatalysator 16 absorbiert, während die geringen Anteile reduzierender Gaskomponenten fast vollständig im Vorkatalysator 18 umgesetzt werden. In Abhängigkeit von einer Kapazität und einer Desorptionstemperatur des NOx- Speicherkatalysators 16 muß die Verbrennungskraftmaschine 14 zur Regeneration mit λ < 1 betrieben werden. In einem solchen Arbeitsmodus wird das zuvor absorbierte NOx an einer katalytisch aktiven Oberfläche des NOx-Speicherkatalysators 16 reduziert.
Ebenfalls absorbiertes SO2 wird in Form von Sulfat in dem NOx-Speicherkatalysator 16 eingelagert, wobei allerdings eine Reversibilität dieses Einlagerungsprozesses im Gegensatz zu der Einlagerung von NOx wesentlich höhere Temperaturen erfordert. Somit muß zur Entschwefelung eine Mindestentschwefelungstemperatur und ein Lambdawert < 1 vorliegen (Regenerationsparameter).
Eine Entschwefelungsnotwendigkeit ergibt sich aus einer Effizienz für eine Konvertierungsreaktion des NOx-Speicherkatalysators 16, einer aktuellen Temperatur des NOx-Speicherkatalysators 16 und/oder einem aktuellen Lambdawert. Die Erfassung der Effizienz kann mit Hilfe des Gassensors 20 erfolgen, der eine NOx-Konzentration hinter dem NOx-Speicherkatalysator 16 mißt. Aufgrund von Erfahrungswerten oder über eine Messung der NOx-Konzentration vor dem NOx-Speicherkatalysator 16 kann auf diese Weise in einfacher Weise ein Verschwefelungsgrad und damit die Effizienz bestimmt werden. Über die Temperatursensoren 22 läßt sich die aktuelle Temperatur am NOx-Speicherkatalysator 16 ermitteln, während der aktuelle Lambdawert wiederum über die Gassensoren 20 bestimmbar ist. Zu jedem Zeitpunkt ist damit ein Verschwefelungsgrad, eine Temperatur und ein Lambdawert gegeben, die zusammengefaßt als eine Kenngröße zur Beurteilung einer
Entschwefelungsnotwendigkeit herangezogen werden.
Die Figur 2 zeigt eine Lage der Kenngröße in Abhängigkeit von einer Last W zu einer Drehzahl U der Verbrennungskraftmaschine 14. Wird beispielsweise bei konstanter Last W die Drehzahl U erhöht, führt dies zu einem Kraftstoffmehrverbrauch, wobei infolgedessen der Lambdawert sinkt und die Temperatur des Abgases ansteigt. Die in Abhängigkeit von Last W und Drehzahl U der Verbrennungskraftmaschine 14 möglichen Kenngrößen werden hier in vier beliebig applizierbare Bereiche unterteilt. Dabei ist in einem Bereich 32 die Entschwefelungsnotwendigkeit derart gewählt, daß sie im wesentlichen von dem Verschwefelungsgrad bestimmt wird, das heißt, daß die Entschwefelung bei Erreichen eines vorgebbaren Schwellenwertes für den Verschwefelungsgrad initiiert wird. In einem Bereich 34 dagegen wird neben dem Verschwefelungsgrad auch die Temperatur des NOx-Speicherkatalysators 16 zur Beurteilung der Notwendigkeit der Entschwefelung herangezogen. So kann beispielhaft die Entschwefelung beim Erreichen von bereits 70 % des Schwellenwertes und bei einem Vorliegen einer Temperatur von beispielhaft mehr als 400 °C initiiert werden. Unter 100 % des Schwellenwertes wird ein Verschwefelungsgrad verstanden, dessen begleitender NOx-Aktivitätseinbruch eben noch die Erfüllung der gesetzlich zugelassenen Schadstoff-Grenzwerte im Typzulassungstest ermöglicht. Steigt die Temperatur auf über 550 °C, so kann die Entschwefelung bereits bei Vorliegen von nur 50 % des Schwellenwertes als notwendig beurteilt werden (Bereich 36), während im Bereich 38 sowohl Lambdawert als auch die Temperatur derart vorliegen, daß sie unabhängig vom Verschwefelungsgrad bereits eine natürliche Entschwefelung des NOx-Speicherkatalysators 16 ermöglichen.
Durch die gezeigte Steuerung des Entschwefelungsprozesses kann einerseits ein Kraftstoffmehrverbrauch infolge eines notwendigen Aufheizens des NOx- Speicherkatalysators 16 auf die Mindesttemperatur verringert werden und andererseits wird durch die Herabsetzung des Schwellenwertes bei höheren Temperaturen eine Entschwefelung früher initiiert, so daß eine geringere Sulfatkorngröße vorliegt. Damit sind auch korrosive Prozesse, beispielsweise Rißbildung, vermindert.
Anstelle der beispielhaft gezeigten, bereichsweisen Beurteilung der Entschwefelungsnotwendigkeit kann auch eine kontinuierliche Beurteilung anhand einer Entscheidungsmatrix, die einen Energiebedarf zur Entschwefelung der Entschwefelungsnotwendigkeit gegenüberstellt, erfolgen. Der Energiebedarf ist abhängig von der NOx-Speicherkatalysatortemperatur und dem Verschwefelungsgrad.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Entschwefelung von wenigstens einem in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten NOx-Speicherkatalysator, wobei zur Entschwefelung eine Mindestentschwefelungstemperatur am NOχ- Speicherkatalysator und ein Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine mit Lambda < 1 eingestellt wird sowie zur Erreichung dieses Arbeitsmodus und/oder der Mindesttemperatur eine zumindest temporäre Beeinflussung wenigstens eines Betriebsparameters der Verbrennungskraftmaschine erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Entschwefelung in Abhängigkeit eines aktuellen Lambdawertes und/oder eines Verhältnisses der NOx-Konzentration stromauf und stromab des NOx-Speicherkatalysators (16) in Abhängigkeit von einer im NOx- Speicherkatalysator eingelagerten NOx-Masse (Verschwefelungsgrad) und/oder einer aktuellen Temperatur des NOx-Speicherkatalysators 16 initiiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß eine Beurteilung einer Notwendigkeit der Entschwefelung kontinuierlich oder stufenweise anhand des aktuellen Lambdawertes und/oder des Verschwefelungsgrades und/oder der aktuellen Temperatur des NOx-Speicherkatalysators 16 erfolgt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwellenwert für den Verschwefelungsgrad, an dem die Entschwefelung initiiert wird, bei steigender Temperatur des NOχ- Speicherkatalysators (16) sinkt.
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