WO2000077371A1 - VERFAHREN ZUR ERHÖHUNG DER NOx-UMSATZRATE VON GESCHÄDIGTEN NOx-SPEICHERKATALYSATOREN - Google Patents

VERFAHREN ZUR ERHÖHUNG DER NOx-UMSATZRATE VON GESCHÄDIGTEN NOx-SPEICHERKATALYSATOREN Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method for increasing the NO x conversion rate of damaged NO x storage catalysts.
  • NO ⁇ storage catalytic converters consist of a conventional 3-way coating, which is expanded by a NO x storage component. They store nitrogen oxides through the formation of nitrate in the lean exhaust gas and convert them into harmless N 2 under reducing conditions in the rich exhaust gas, whereby they are specifically emptied in order to essentially retain their full absorption capacity for nitrogen oxides, which decreases continuously with increasing nitrogen oxide loading in the lean phase.
  • the object of the present invention is to provide a method for compensating for catalyst aging or damage by increasing the NO x - conversion rate, which allows also an aged or damaged NO x - storage catalytic converter while avoiding exceeding the permissible emission limits or to be able to operate the OBD-relevant NO x limit values and a certain additional consumption threshold for a long time without replacement.
  • An adaptation of the operating behavior to a detected catalytic converter damage after one of the above-mentioned process steps can be correlated with a deterioration rate of the catalytic converter system with regard to the NO x or HC conversion, that is, it can be concluded from the adaptation whether the OBD with unchanged operating mode of the catalytic system Thresholds would be reached.
  • the occurrence and extent of damage to the catalyst or catalyst aging is preferably determined by measuring the NO x emission rate by means of the NO x - storage catalyst downstream of the NO x sensor and comparing these measured values with predetermined desired values, or with the detected start of operation measured values of the undamaged NO x Storage catalyst determined.
  • the NO x concentration is shown behind a NO x storage catalytic converter in a stationary operating point in alternating rich-lean mode for a fresh or undamaged, a partially damaged and a border-damaged catalytic converter.
  • the fresh NO x storage catalytic converter With raw NO x emissions of around 1200 ppm, the fresh NO x storage catalytic converter only reaches this threshold value after around 100 seconds, while it is reached after around 80 seconds in the case of the catalytic converter which is partially damaged by thermal aging and sulfur poisoning, which leads to a corresponding reduction in the Lean phase leads to 20% and correspondingly more frequent NO x regeneration.
  • the possible lean operating time at this operating point is reduced to about 40 seconds, so that the NO x regeneration must take place 2.5 times as often as with the fresh catalyst.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Kompensation einer Alterung oder Schädigung von NOx-Speicherkatalysatoren durch gezielte Erhöhung der NOx-Umsatzrate unter Einhaltung eines bestimmten Mehrverbrauchs-Schwellenwertes beschrieben, bei dem in Abhängigkeit von dem erkannten Ausmass der Schädigung die folgenden Massnahmen einzeln oder in Kombination ergriffen werden, um den Katalysator noch längere Zeit ohne Austausch betreiben zu können: Veränderung der Mager- oder Fett-Betriebszeit bis zur Einleitung bzw. Beendigung einer NOx-Regeneration oder einer De-Sulfatierung; konstanter oder zeitlich veränderlicher Off-set auf die Lambda-Vorgabe eines frischen NOx-Speicherkatalysators während der Durchführung einer NOx-Regeneration oder einer De-Sulfatierung um maximal ± 0,25; Änderung der Abgasrückführungsrate, des Zündzeitpunktes, des Spritzbeginns, der Spritzdauer, der Tumbleklappenstellung, der Ventilsteuerzeiten, der Verdichtung und/oder des Ladedruckes zur Verringerung der Mager-NOx-Rohemission unter Einhaltung bestimmter Randbedingungen für die Abgastemperatur, den Abgasmassenstrom und die HC- bzw. CO-Emissionsrate; und Ausdehnung des Betriebsmodus mit Lambda = 1 in Kennfeld-Bereiche, in denen bei einem ungeschädigten Katalysator ein magerer Betrieb möglich ist.

Description

Verfahren zur Erhöhung der NOx-Umsatzrate von geschädigten NOx-
Speicherkatalysatoren
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der NOx-Umsatzrate von geschädigten NOx-Speicherkatalysatoren.
NOχ-Speicherkatalysatoren bestehen aus einer üblichen 3-Wege-Beschichtung, die um eine NOx-Speicherkomponente erweitert ist. Sie lagern Stickoxide durch Nitratbildung im mageren Abgas ein und setzen diese unter reduzierenden Bedingungen im fetten Abgas in unschädliches N2 um, wobei sie gezielt entleert werden, um im wesentlichen ihre volle Absorptionsfähigkeit für Stickoxide zurückzuerhalten, die mit zunehmender Stickoxidbeladung in der Magerphase kontinuierlich absinkt.
Beim Betrieb von NOx-Speicherkatalysatoren ist mit Schädigungen durch die Betriebsdauer und/oder eine thermische Überlastung und/oder eine Schwefelvergiftung durch den im Kraftstoff enthaltenen Schwefel zu rechnen, die im wesentlichen zu einer Abnahme der Sauerstoffspeicherfähigkeit, der aktiven Oberfläche und/oder des Volumens der Edelmetall- und Speicherkomponenten, und des Kontaktes zwischen dem Edelmetall- und Speicherkomponenten führt.
Diese einzeln oder in Kombination auftretenden Schädigungseffekte führen zu Einbrüchen bei der NOx-Einlagerung, die sich im wesentlichen auf 2 Arten bemerkbar machen:
■ Nach einer NOx-Regeneration wird zunächst eine gute NOx-Einlagerung gemessen; die Sättigung setzt jedoch schneller und stärker als im frischen oder ungeschädigten Zustand ein.
■ Nach einer NOx-Regeneration wird sofort ein stärkerer NOx-Durchbruch gemessen als im frischen oder ungeschädigten Zustand. Diese Abweichungen vom normalen Betriebsverhalten eines ungeschädigten NOx- Speicherkatalysators können in der Praxis ebenfalls sowohl einzeln als auch in Kombination auftreten.
Bei Beibehaltung der Betriebsstrategie für frische oder ungeschädigte Katalysatoren hinsichtlich der Einlagerung und Regeneration von NOx und SOx ist mit einer Überschreitung der zulässigen Grenzwerte zu rechnen. Bei Abstimmung der Betriebsstrategie auf eine Katalysatoralterung oder -Schädigung kann es hingegen zu einem Kraftstoff-Mehrverbrauch durch häufigere und anders ablaufende NOx- bzw. SOx- Regeneration kommen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Schaffung eines Verfahrens zur Kompensation einer Katalysatoralterung oder -Schädigung durch Erhöhung der NOx- Umsatzrate, das es ermöglicht, auch einen gealterten oder geschädigten NOx- Speicherkatalysator unter Vermeidung einer Überschreitung der zulässigen Emissions- Grenzwerte bzw. der OBD-relevanten NOx-Grenzwerte und eines bestimmten Mehrverbrauchs-Schwellenwertes noch längere Zeit ohne Austausch betreiben zu können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit folgenden Verfahrensschritten gelöst, die in Abhängigkeit vom erkannten Ausmaß der Schädigung einzeln oder auch in Kombination durchgeführt werden:
■ Veränderung der Mager-Betriebszeit bis zur Einleitung einer NOx-Regeneration oder einer De-Sulfatierung auf vorzugsweise minimal etwa 10 % bzw. 20 % der Mager- Betriebszeit eines ungeschädigten NOx-Speicherkatalysators;
■ Veränderung der Fett-Betriebszeit bis zur Beendigung einer NOx-Regeneration oder einer De-Sulfatierung auf vorzugsweise minimal etwa 40 % bzw. 30 % und maximal etwa 500 % der Fett-Betriebszeit einer ungeschädigten NOx-Speicherkatalysators;
■ Konstanter oder zeitlich veränderlicher Off-set auf die Lambda-Vorgabe eines frischen oder ungeschädigten NOx-Speicherkatalysators während der Durchführung einer NOx-Regeneration oder einer De-Sulfatierung um maximal etwa ± 0,25;
■ Änderung der Abgasrückführungsrate und/oder des Zündzeitpunktes und/oder des Spritzbeginns und/oder der Spritzdauer und/oder der Tumbleklappenstellung und/oder der Ventilsteuerzeiten und/oder der Verdichtung und/oder des Ladedrucks zur Verringerung der Mager-NOx-Rohemission unter Einhaltung bestimmter Randbedingungen für die Abgasreinigung, insbesondere für die Abgastemperatur und den Abgasmassenstrom, so daß die HC- und CO-Emissionen hinter dem NOx- Speicherkatalysator nur in dem durch die zulässigen Grenzwerte vorgegebenen Rahmen ansteigen; und ■ Ausdehnung des Betriebsmodus mit Lambda etwa gleich 1 in Kennfeld-Bereiche, in denen bei einem ungeschädigten NOx-Speicherkatalysator ein magerer Betrieb möglich ist; ausgehend von Betriebspunkten mit hoher Raumgeschwindigkeit und sehr niedrigen Katalysatortemperaturen von weniger als etwa 250 °C und sehr hohen Katalysatortemperaturen von mehr als etwa 500 °C bis maximal hin zu einem Dauerbetrieb mit Lambda etwa gleich 1.
Die Fett- bzw. Mager-Betriebszeit wird hierbei vorzugsweise nach m regulären Mager- Fett-Betriebszyklen n-mal verändert, wobei 1 = n = 5 und 5 = m = 30 ist.
Eine Adaption des Betriebsverhaltens an eine erkannte Katalysatorschädigung nach einem der genannten Verfahrensschritte kann mit einer Verschlechterungsrate des Katalysatorsystems hinsichtlich des NOx- bzw. HC-Umsatzes korreliert werden, d.h., daß aus der Adaption geschlossen werden kann, ob bei unveränderter Betriebsweise des Katalysatorsystems die OBD-Schwellenwerte erreicht würden.
In welchem Ausmaß die vorstehend genannten Maßnahmen ergriffen werden, hängt im wesentlichen von dem damit verbundenen errechneten Kraftstoff-Mehrverbrauch und der Fahrbarkeit ab. Bei Überschreitung eines bestimmten Mehrverbrauchs- Schwellenwertes von beispielsweise 1 ,5 % innerhalb einer bestimmten Zeitspanne wird eine erkannte Katalysatorschädigung signalisiert, da eine Anzeige der Katalysatorschädigung sinnvoller als ein weiterer wirkungsgradgeminderter Betrieb ist. Es sind jedoch auch deutlich abweichende Werte für den Mehrverbrauchs- Schwellenwert denkbar.
Das Auftreten und das Ausmaß einer Katalysatorschädigung oder Katalysatoralterung wird vorzugsweise durch Messung der NOx-Emissionsrate mittels eines dem NOx- Speicherkatalysator nachgeschalteten NOx-Sensors und Vergleich dieser Meßwerte mit vorgegebenen Soll-Werten oder mit den zu Betriebsbeginn erfaßten Meßwerten des ungeschädigten NOx-Speicherkatalysators bestimmt. Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich nicht nur aus den zugehörigen Ansprüchen, - für sich oder in Kombination - sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen
Fig. 1 , die den NOx-Durchbruch nach einem NOx-Speicherkatalysator in Abhängigkeit von einer Katalysatorschädigung zeigt.
Dargestellt ist die NOx-Konzentration hinter einem NOx-Speicherkatalysator in einem stationären Betriebspunkt im alternierenden Fett-Mager-Betrieb für einen frischen oder ungeschädigten, einen teilgeschädigten und einen grenzgeschädigten Katalysator. Die NOx-Speicherkatalysatoren werden jeweils bei einer Abgastemperatur von 350 °C mit Lambda = 0,9 regeneriert und anschließend so lange mit magerem Abgas mit einem Lambda-Wert von etwa 2,2 beaufschlagt, bis hinter den Katalysatoren eine NOx- Konzentration von 100 ppm überschritten wird.
Bei NOx-Rohemissionen von etwa 1200 ppm erreiche der frische NOx- Speicherkatalysator diesen Schwellenwert erst nach etwa 100 Sekunden, während er bei dem durch thermische Alterung und Schwefelvergiftung teilgeschädigten Katalysator bereits nach ca. 80 Sekunden erreicht wird, was zu einer entsprechenden Verkürzung der Magerphase um 20 % und entsprechend häufigeren NOx-Regenerationen führt. Beim grenzgeschädigten Katalysator verkürzt sich die mögliche Magerbetriebsdauer in diesem Arbeitspunkt auf etwa 40 Sekunden, so daß die NOx-Regenerationen 2,5 mal so häufig stattfinden müssen wie bei dem frischen Katalysator. Hierdurch würde eine applizierbare Schwelle hinsichtlich des mit den häufigeren NOx-Regenerationen verbundenen Kraftstoff-Mehrverbrauchs überschritten, so daß trotz annähernd gleichen NOx-Emissionen wie bei dem frischen NOx-Speicherkatalysator ein weiterer Fahrzeugbetrieb mit diesem grenzgeschädigten Katalysator nicht sinnvoll ist und eine entsprechende Schädigung signalisiert wird.

Claims

PATE NTANSPRÜ C H E
1. Verfahren zur Erhöhung der NOx-Umsatzrate von geschädigten NOx- Speicherkatalysatoren mit folgenden Verfahrensschritten, die in Abhängigkeit von dem Ausmaß der Schädigung einzeln oder in Kombination durchgeführt werden:
a. Veränderung der Mager-Betriebszeit bis zur Einleitung einer NOx- Regeneration oder einer De-Sulfatierung; b. Veränderung der Fett-Betriebszeit bis zur Beendigung einer NOx- Regeneration oder einer De-Sulfatierung; c. konstanter oder zeitlich veränderlicher Off-set auf die Lambda-Vorgabe eines ungeschädigten NOx-Speicherkatalysators während der Durchführung einer
NOx-Regeneration oder einer De-Sulfatierung um maximal ± 0,25; d. Änderung der Abgasrückführungsrate und/oder des Zündzeitpunktes und/oder des Spritzbeginns und/oder der Spritzdauer und/oder der Tumbleklappenstellung und/oder der Ventilsteuerzeiten und/oder der Verdichtung und/oder des Ladedrucks zur Verringerung der Mager-NOx- Rohemission unter Einhaltung bestimmter Randbedingungen für die Abgastemperatur, den Abgasmassenstrom und die HC- bzw. CO- Emissionsrate; und e. Ausdehnung des Betriebsmodus mit Lambda = 1 in Kennfeld-Bereiche, in denen bei einem ungeschädigten Katalysator ein magerer Betrieb möglich ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Mager-Betriebszeit bis zur Einleitung einer NOx-Regeneration oder einer De-Sulfatierung auf minimal 10 % bzw. 20 % der Mager- Betriebszeit eines ungeschädigten NOx-Speicherkatalysators verkürzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Fett-Betriebszeit bis zur Beendigung einer NOx-Regeneration oder einer De-Sulfatierung auf minimal 40 % bzw. 30 % und maximal 500 % der Fett- Betriebszeit eines ungeschädigten NOx-Speicherkatalysators verändert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fett- bzw. Mager-Betriebszeit nach m regulären Mager-Fett- Betriebszyklen n-mal verändert wird, wobei 1 = n = 5 und 5 = m = 30 ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Adaption des Betriebsverhaltens an die Katalysatorschädigung mit einer Verschlechterungsrate des Katalysatorsystems hinsichtlich des NOx- bzw. HC- Umsatzes korreliert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoffverbrauch bestimmt und bei Überschreitung eines bestimmten Mehrverbrauchs-Schwellenwertes im Vergleich zu einem ungeschädigten NOx- Speicherkatalysator innerhalb einer bestimmten Zeitspanne eine Schädigung des NOx-Speicherkatalysators signalisiert wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Auftreten und das Ausmaß einer Katalysatorschädigung durch Messung der NOx-Emission mittels eines dem NOx-Speicherkatalysator nachgeschalteten NOx-Sensors und Vergleich dieser Meßwerte mit vorgegebenen Soll-Werten oder mit den zu Betriebsbeginn erfaßten Meßwerten des ungeschädigten NOx- Speicherkatalysators bestimmt wird.
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