DE10026762A1 - Verfahren zur Desulfatisierung eines NOx-Speicher-Katalysators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors, in dessen Abgasstrang ein NOx-Speicher-Katalysator angeordnet ist (Abb. 1). Ziel des Verfahrens ist die Entfernung der auf dem Katalysator abgelagerten Schwefeloxide, da diese den Prozess der Stickoxidspeicherung und Reduktion behindern bzw. zum vollständigen Aktivitätsverlust des Katalysators führen. (Erweiterung P031845/DE/1)

Aus DE 197 50 226 C1 ist ein Verfahren bekannt, mit dem der Dieselmotor zur Regeneration eines im Abgasstrang angeordneten NOx-Speicher-Katalysators mit unterstöchiometrischem (λ < 1) Verbrennungs/Luft-Verhältnis betrieben werden kann.

Hierbei werden im Normalbetrieb (λ < 1) die während des Verbrennungsprozesses gebildeten Stickoxide an diesem Katalysator adsorbiert und gespeichert. Zur Reduktion der Stickoxide in Stickstoff sowie zur Wiederherstellung der NOx-Speicherkapazität des Katalysators ist nach definierten Zeitabständen ein kurzzeitiger Wechsel in den Betriebszustand mit λ < 1 erforderlich.

Durch den im Kraftstoff vorhandenen Schwefel tritt neben der Einlagerung der Stickoxide (NOx) in Konkurrenzreaktion die Einlagerung von Schwefeloxiden (SOx) auf. Diese Schwefeloxide entstehen durch die Verbrennung von im Kraftstoff vorhandenen schwefelhaltigen Komponenten. In den für die NOx-Regeneration des Speicher-Katalysators eingestellten Betriebsbedingungen erfolgt jedoch aufgrund der höheren Stabilität der Schwefelkomponenten keine SOx-Regeneration, wodurch mit zunehmender Fahrleistung eine Anreicherung dieser Schwefelspezies am Speichermaterial erfolgt, was zu einer Verschlechterung der NOx-Speicher-Aktivität führt.

Um dies zu verhindern, ist nach einer bestimmten, durch den Schwefelgehalt des Kraftstoffs und der geforderten Effektivität des Katalysators zur NOx-Speicherung, eine Entfernung der eingelagerten Schwefelkomponenten vom Speichermaterial erforderlich.

Hierfür sind spezielle Bedingungen erforderlich, die sich von den Bedingungen zur Nitratregeneration grundlegend unterscheiden.

Zuerst ist im Fahrbetrieb von der Steuergeräteeinheit die Notwendigkeit einer SOx-Regeneration zu überprüfen. Diese Erkennung kann auf mehreren Wegen erfolgen:
durch ein geeignetes mathematisches Modell,
durch Verglich des Lambda-Signale einer Breitband- oder Sprungsonde nach NOx-Speicher- Katalysator über die Betriebsdauer, was eine Aussage über die Menge an gespeicherten Stickoxiden zuläßt,
durch Vergleich des Lambda-Signal vor und nach Katalysator während der NOx-Regeneration oder
durch das Signal eines NOx-Sensors in der Magerphase erfolgen.

Ist die Notwendigkeit der SOx-Regeneration vom Steuergerät erkannt, wird im Steuergerät ein Signal gesetzt und bei der nächsten Möglichkeit die SOx-Regeneration ausgelöst.

Um eine Desulfatisierung durchführen zu können, sind Abgastemperaturen zwischen 500 und 800°C, vorzugsweise zwischen 600 und 700°C notwendig. Da diese im Dieselmotor nur sehr selten erreicht werden, muß der Katalysator vor dem Einleiten der Desulfatisierung mit Hilfe einer geeigneten Heizstrategie auf die erforderliche Temperatur gebracht werden. Diese kann folgendermaßen aussehen:

• a) Nacheinspritzung von Kraftstoff (mit und ohne Anteil am Drehmoment)
• b) späte Verbrennungslage
• c) mehrstufige Verbrennung
• d) externe Heizmaßnahmen

Zum Erkennen und Einstellen der erforderlichen Desulfatisierungstemperatur bzw. zum Schutz des Katalysators vor Abgastemperaturen < 700-800°C (je nach Katalysatormaterial), die zum Verlust der Katalysatoraktivität führen können und somit verhindert werden müssen, wird vom Steuergerät das Signal eines im Abgasstrang angeordneten Temperatursensors vor oder/und nach Katalysator ausgewertet bzw. die im Katalysator auftretende Temperatur aus den Motorbetriebsdaten über ein geeignetes Modell berechnet.

Ist die entsprechende Abgastemperatur eingestellt, wird, unter Einsatz der im Patent DE 197 50 226 C1 beschriebenen Methoden wie bei der NOx-Regeneration in den Fettbetrieb umgeschaltet. Die Zeitdauer des Fettbetriebes hängt von der Katalysatortemperatur, dem Fahrpedalwunsch des Fahrers, sowie der auf dem Katalysator befindlichen S-Menge ab.

Zur Desulfatisierung kann der Motorbetrieb folgendermaßen aussehen:
konstant fette Abgaszusammensetzung (0,7 < λ < 0,99) mit Fettzeiten zwischen 2 und 60 s, vorzugsweise 5-30 s (Fettspung),
oszillierender Wechsel zwischen fetter und magerer Abgaszusammensetzung, vorzugsweise 2 bis 20 Zyklen. Unter oszillierenden Bedingungen ist die Dauer der mager/fett-Zeiten so zu wählen, daß die Temperatur im Katalysator im wirksamen Temperaturfenster zwischen 550 und 800°C konstant gehalten wird, vorzugsweise im Verhältnis 1 : 1 bis 1 : 20. Die Steuerung der mager/fett-Zeiten kann wahlweise über die Temperatursensoren oder ein geeignetes Temperaturmodell erfolgen.

Zwischen den Oszillationen bzw. dem Fettsprung ist unter Umständen eine längere Magerphase, vorzugsweise 5-500 s notwendig, um durch die Reinigung der Katalysator-Oberfläche die Effektivität der darauffolgenden SOx-Regeneration zu verbessern. Während dieser Magerphase kann die Abgastemperatur durch Nacheinspritzung aufrechterhalten werden oder aber nach einer definierten Zeit wieder, wie oben beschrieben, auf das erforderliche Niveau angehoben werden.

Zur Verringerung der HC/CO-Emissionen oder zur Beschleunigung des Desulfatisierungsprozesses kann es zudem erforderlich sein, daß der λ-Wert von stark fett (0,7 < λ < 0,9) auf weniger fett (0,9 < λ < 0,99) geregelt wird.

Die Anzahl der für die vollständige Desulfatisierung erforderlichen Fettsprünge bzw. Oszillationen Zyklen hängt von der eingespeicherten Masse an Schwefel, der Temperatur und dem verwendeten Katalysatortyp ab. Sie liegt wahlweise zwischen 1 und 10 vollständig ausgeführten einzelnen SOx- Regenerationsereignissen, kann allerdings bei Abbruch der Desulfatisierung durch Fahrzustands­ änderungen auch größer sein.

Der Erfolg der Desulfatisierung wird, wie das Erkennen der Notwendigkeit, mit Hilfe eines mathematischen Modells, über den Signalvergleich einer Lambda-Breitbandsonde nach Katalysator über die Betriebsdauer, das eine Aussage über die gespeicherten Stickoxide zuläßt, durch Vergleich des Lambda-Signals vor und nach Katalysator oder durch einen NOx-Sensor erfolgen.

In Abb. 2 ist der für eine oszillierende Desulfatisierung typische Verlauf von Temperatur und Lambda dargestellt.

Verfahren zur Desulfatisierung eines NOx-Speicher-Katalysators, angeordnet im Abgasstrang eines Dieselmotors, dadurch gekennzeichnet,
daß der Motorbetrieb nach den in Patent DE 197 50 226 C1 und P 031845/DE/1 vorgesehenen Methoden erfolgt,
daß das Erkennen des Desulfatisierungsereignisses im Steuergerät wahlweise
durch ein geeignetes mathematisches Modell,
durch Vergleich der Lambda-Signale einer Breitbandsonde nach NOx-Speicher-Katalysator über die Laufleistung,
durch Vergleich des Lambda-Signals vor und nach Katalysator während der NOx-Regeneration oder
durch das Signal eines NOx-Sensors in der Magerphase erfolgen.
daß die Steuereinheit für die Desulfatisierung günstigen Motorbetrieb erkennt und dann das Desulfatisierungsereignis einleitet,
daß wahlweise vor der Aufheizphase eine NOx-Regeneration eingeleitet wird, um die Speicherkapazität des NOx-Speicher-Katalysators in der Aufheizphase zu vergrößern,
daß zum Einleiten des Desulfatisierungsprozesses eine Temperaturanhebung des Abgases auf die erforderliche Desulfatisierungstemperatur, vorzugsweise 500-800°C, durch
Nacheinspritzung
mager/fett-Wechselbetrieb
mehrstufige Verbrennung
externe Beheizung
erfolgt,
daß die erforderliche Desulfatisierungstemperatur durch Temperatursensoren und/oder ein geeignetes Rechenmodell berechnet und eingeregelt wird,
daß der für das Aufheizen und für die Desulfatisierung optimale Lambda-Wert durch die Motorsteuerung eingestellt wird,
daß der Desulfatisierungsvorgang in der Weise durchgeführt wird, daß der Motor bei den hohen Abgastemperaturen wahlweise
eine konstante Zeitdauer mit fettem Abgasgemisch, vorzugsweise bei 0,7 < λ < 0,99 oder oszillierend im fett (0,7 < λ < 0,99)/ mager (1,01 < λ < 3)-Wechsel mit einem Verhältnis der fett/mager- Zeiten von 1 : 1 bis 20 : 1 betrieben wird,
daß der Lambda-Wert in der Fettphase von stark fett (0,7 < λ < 0,9) nach weniger fett (0,9 < λ < 0,99) geregelt werden kann,
daß die Intervalle des mager/fett-Wechselbetriebes wahlweise
durch konstante Zeiten oder
durch Temperatursensoren in der Weise geregelt werden, daß die Abgastemperatur in dem für den Desulfatisierungsprozess optimalen Temperaturbereich zwischen 500 und 800°C, vorzugsweise 600-700°C, gehalten wird,
daß durch die Steuerelektronik und die Temperatursensoren bzw. ein geeignetes Modell eine Kontrolle der Abgastemperatur erfolgt, um eine Schädigung des NOx-Speicher-Katalysators, durch zu hohe Temperaturen, vorzugsweise 700-850°C, zu vermeiden,
daß die Häufigkeit der mager/fett-Intervalle und/oder der Fettsprünge von der Abgastemperatur und der aufgenommenen Schwefel-Beladung bestimmt wird,
daß das Ende der Desulfatisierung durch Überprüfung der NOx-Speicher-Kapazität wahlweise durch das Lambda-Signal oder einen NOx-Sensor erfolgt.

Claims (1)

1. Verfahren zur Desulfatisierung eines NOx-Speicher-Katalysators, angeordnet im Abgasstrang eines Dieselmotors, dadurch gekennzeichnet,
daß das Erkennen des Desulfatisierungsereignisses im Steuergerät wahlweise
durch ein geeignetes mathematisches Modell,
durch Vergleich der Lambda-Signale einer Breitbandsonde nach NOx-Speicher- Katalysator über die Laufleistung,
durch Vergleich des Lambda-Signals vor und nach Katalysator während der NOx- Regeneration oder
durch das Signal eines NOx-Sensors in der Magerphase erfolgen;
daß die erforderliche Desulfatisierungstemperatur durch Temperatursensoren und/oder ein geeignetes Rechenmodell berechnet und eingeregelt wird;
daß die Intervalle des mager/fett-Wechselbetriebes wahlweise
durch konstante Zeiten oder
durch Temperatursensoren in der Weise geregelt werden, daß die Abgastemperatur in dem für den Desulfatisierungsprozess optimalen Temperaturbereich zwischen 500 und 800°C, vorzugsweise 600-700°C, gehalten wird;
daß die Häufigkeit der mager/fett-Intervalle und/oder der Fettsprünge von der Abgastemperatur und der aufgenommenen Schwefel-Beladung bestimmt wird.